CPU e processo produttivo: un mondo sempre più quantico

I microprocessori hanno da poco spento 48 candeline, da allora sono profondamente cambiati, grazie all'affinamento dei processi produttivi.

speciale CPU e processo produttivo: un mondo sempre più quantico
INFORMAZIONI SCHEDA
Articolo a cura di

Lo scorso 15 Novembre è stato l'anniversario della commercializzazione del primo microprocessore Intel, il modello 4004 del 1971. Era un processore a 8 bit che basava il suo funzionamento su una tecnologia sviluppata da un italiano, il fisico Federico Faggin, ed era costituito da 2300 transistor.
Da allora sono passati 48 anni e le schede che montano più transistor in assoluto, le GPU AMD con tecnologia Navi, ne integrano ben 10.3 miliardi.

All'E3 di Los Angeles, AMD ha presentato la sua nuova serie di schede grafiche con GPU Navi a 7 nanometri, piazzando ufficialmente sul mercato i transistor più piccoli finora prodotti su larga scala per l'elettronica di consumo non mobile. Il primo processore in assoluto a montare transistor a 7 nm è stato l'Apple A12 Bionic, montato su iPhone Xs, Xs Max e Xr. Giusto per rendervi conto delle dimensioni: 7 nm corrispondono a circa 70 volte la dimensione di un atomo. Ciò significa che questi transistor sono formati da poche decine di atomi.

La corsa alla miniaturizzazione

Lo sviluppo, la costruzione e l'analisi di questi nanodispositivi mettono insieme conoscenze di team di fisici, chimici e ingegneri esperti in materiali. Le aziende investono miliardi di dollari per permettere a questi gioielli scientifici, che, di fatto, sono delle vere e proprie conquiste della tecnologia e della mente umana, di poter "nascere" ed essere prodotti in serie a costi contenuti.
È impensabile che possa esistere una mano umana in grado in qualche modo di lavorare con dimensioni così ristrette; solo per osservare un componente di questa grandezza, sono necessari strumenti molto sofisticati, ben diversi dai tipici microscopi da laboratorio che si vedono in tv.

Perché questa corsa alla miniaturizzazione? Semplicemente per una questione di potenza di calcolo e memory storage dei dispositivi: maggiore è il numero di transistor, maggiori saranno le informazioni che può processare contemporaneamente. Accanto alla richiesta del grande pubblico di avere tra le mani dei dispositivi sempre nuovi ogni anno e sempre più potenti rispetto al modello precedente, c'è un lavoro di ricerca e sviluppo di cui l'utilizzatore medio non ha percezione.

Man mano che la tecnologia diventa sempre più intelligente e i device riescono ad elaborare informazioni sempre più grandi e complesse, all'uomo viene richiesto di pensare sempre meno. Ciò comporta un progressivo intorpidimento del cervello.

Rispondete sinceramente: quanti di voi utilizzano una calcolatrice per fare i calcoli, anche i più banali? Dal resto, dal supermercato alla divisione delle bollette, lasciamo che siano le macchine a lavorare per noi. Quanti di voi ricordano ancora come si fa una divisione in colonna? Una scomposizione in fattori? E pensare che proprio quest'ultima operazione è una prerogativa dello splendido processore che è il nostro cervello!
Se le vostre risposte sono negative, non abbiate timore, non siete soli. Le macchine hanno sostituito l'uomo in talmente tanti settori che anche coloro che lavorano ogni giorno con i numeri si affidano quasi totalmente alla potenza e alla velocità di un computer.
Questo però poggia un enorme fardello e una grande responsabilità sulle spalle di coloro i quali conoscono il lavoro dietro lo sviluppo tecnologico: la responsabilità è quella di diffondere una conoscenza tale da permettere un uso consapevole della tecnologia, per non far cadere nel tranello di diventare utilizzati dalla tecnologia stessa.

Il lavoro dietro poche decine di atomi

Si inizia dalla teoria: per miniaturizzare non basta semplicemente ridurre le dimensioni di un progetto preesistente, ma bisogna considerare i possibili problemi derivanti da questa riduzione, a cominciare da come realizzarla.
Dimensioni così piccole richiedono macchine in grado di lavorare con la precisione dell'atomo. Ovviamente non esiste nessun macchinario che può operare con questo grado di precisione, ma esiste un oggetto fisico in grado di poter reagire con strutture di dimensioni molto diverse in base ad una sua proprietà chiamata lunghezza d'onda o frequenza: tale "oggetto" è la luce. La luce è composta da fotoni, che sono particelle talmente piccole da non avere massa. Usando termini molto impropri, i fotoni sono composti da pura energia.
Evitando di scendere nel dettaglio, la proprietà della luce di avere lunghezza d'onda modulabile (quindi controllabile esternamente) ci permette di fare tutto ciò che qualsiasi oggetto con massa non ci permette di fare: controllare l'atomo. I transistor vengono stampati su una base di silicio proprio grazie alla luce e ad una sostanza chimicamente reattiva ad essa, tale tecnica si chiama fotolitografia.

I problemi dietro la miniaturizzazione

Abbiamo una risposta al come, tuttavia non è tutto oro ciò che luccica. Nel momento in cui si va a miniaturizzare sempre di più, diventano sempre più importanti due effetti che nei dispositivi macroscopici vengono "nascosti" dal fatto di essere grandi: la produzione di calore del dispositivo stesso e tutti quei fenomeni secondari microscopici che appartengono all'ambito della meccanica quantistica. Per il secondo principio della termodinamica, qualsiasi processo fisico, quindi qualsiasi operazione compiuta da ognuno dei transistor all'interno di un PC (ma anche la vostra digestione, una camminata, una pallina che cade...) fa aumentare l'entropia all'interno del PC (e dell'intero Universo).
L'entropia è intrinsecamente legata al calore prodotto, calore che, se eccessivo, disturba il funzionamento del dispositivo stesso e, in casi estremi, può causarne la fusione.

Dispositivi più piccoli hanno meno superficie utile per dissipare il calore, ma richiedono meno potenza per funzionare, quindi creano meno calore. Nella miniaturizzazione esiste anche la difficoltà di dover ingegnerizzare la forma del dispositivo in modo tale da renderlo funzionante (ovviamente), il più piccolo possibile ed efficiente nella dispersione del calore che produce.

Il chipset Apple A12 Bionic, primo microprocessore a 7nm

Il centro "pensante" della tecnologia AMD Navi

Per quanto riguarda il problema degli effetti quantistici, questo è strettamente legato alle dimensioni nanoscopiche e al numero esiguo di atomi che compongono il dispositivo.
Diventano rilevanti le indeterminazioni proprie della meccanica quantistica, che basa molti suoi risultati sulla statistica: avendo a che fare con un sistema di pochi elementi, tali fluttuazioni statistiche non hanno modo di mediarsi e annullarsi come succede nei sistemi macroscopici, composti da milioni di miliardi di atomi. Ciò comporta errori nelle operazioni e genera quel fenomeno che viene definito "rumore", cioè risultati che sono frutto di casualità e non conseguenzialmente legati all'operazione stessa.

Il futuro del pensiero dei computer

A questo punto è lecito chiedersi fin dove potrà arrivare l'attuale tecnologia e quali sono i limiti oltre i quali i nostri dispositivi di calcolo dovranno essere pensati diversamente. Samsung è già al lavoro su una tecnologia a 5 nm, e promette di presentarla entro il 2020. I programmi di sviluppo di Samsung non si fermano qui, sono proiettati molto più avanti e prevedono già una tecnologia a 3 nanometri che dovrà essere presentata entro il prossimo quadriennio, mentre i più visionari arrivano a credere che una tecnologia a 1.5 nm (circa 15 atomi) sarà realtà in un futuro non troppo lontano. Nonostante ciò non possiamo più negare di essere giunti ad un punto critico in cui bisogna pensare altro. La stessa legge di Moore, quella che prevede che il numero di transistor in un dispositivo raddoppia ogni 18 mesi, è ormai vicina alla sua fine.

Anche supponendo che si riesca a miniaturizzare fino alla dimensione di poche unità di atomi o, addirittura, del singolo atomo (affermazione molto poco realizzabile), cosa esiste di ancora più piccolo che permetterebbe uno sviluppo della tecnologia in termini di miniaturizzazione?
Il problema di sviluppare tecnologie alternative al transistor al silicio, che permettano un nuovo sviluppo tecnologico esponenziale, è più attuale che mai. Sono state proposte molte alternative, nessuna ancora in grado di essere tanto efficiente quanto il silicio. Una possibile via è quella di integrare la tecnologia fotonica, che usa i laser, a quella elettronica attualmente in uso. Gli scienziati sono con il fiato sul collo, ma preparatevi perché presto assisteremo ad una nuova rivoluzione nel mondo dei dispositivi elettronici.