Transistor ferroelettrici, CPU a consumo azzerato

Processori che consumano e scaldano meno grazie a transistor super efficienti. Sembra un sogno, ma gli ingegneri dell'Università della California (Berkeley), ritengono di essere vicini a un punto di svolta: hanno infatti dimostrato che è possibile ridurre la tensione minima necessaria per immagazzinare la carica in un condensatore.

"Come un'auto di Formula Uno, più veloce va il vostro computer, più si scalda. La chiave per avere un microprocessore veloce è rendere il transistor più efficiente", ha dichiarato il ricercatore Asif Khan. "Sfortunatamente la tensione fornita per alimentare i transistor, in modo simile al carburante di un'automobile, è rimasta a un 1 volt per circa 10 anni a causa della fisica fondamentale del proprio funzionamento".

"I transistor non sono diventati efficienti come dovevano per rispettare la richiesta di maggiore potenza del mercato, portando così a un incremento cumulativo e insostenibile nell'assorbimento di energia dei microprocessori. Pensiamo di poter cambiare la situazione".

Khan, il cui studio è iniziato nel 2008, si è basato su materiali ferroelettrici, ovvero dotati sia di carica elettrica positiva sia negativa, ma soprattutto in grado di non perderla anche in assenza di tensione. La polarizzazione elettrica di questi materiali può essere inoltre invertita mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno.

Grazie a questo materiale i ricercatori sono riusciti a dimostrare per la prima volta un fenomeno che prende il nome di capacitanza negativa, attraverso il quale la carica accumulata per una data tensione può essere amplificata.

"Se possiamo usare il fenomeno della capacitanza negativa per creare transistor a basso consumo senza compromettere le prestazioni alle quali lavorano possiamo cambiare l'intera industria dei computer", ha dichiarato il professore Sayeef Salahuddin, il primo a teorizzare l'esistenza di questo effetto nei materiali ferroelettrici.

I ricercatori hanno accoppiato il materiale ferroelettrico, zirconato titanato di piombo, con un isolante dielettrico, il titanato di stronzio, per creare una pila formata da due strati. Per l'esperimento hanno applicato una tensione a questa struttura, oltre che a uno strato di unicamente composto da titanato di stronzio e hanno confrontato la quantità di carica archiviata in entrambe le soluzioni.

"C'è stato un atteso calo di tensione per ottenere una carica specifica con il materiale dielettrico. Tuttavia con la struttura ferroelettrica abbiamo dimostrato che è possibile raddoppiare il miglioramento della tensione di carica con lo stesso voltaggio in entrata, e questo miglioramento potrebbe essere ancora più alto".

La soluzione proposta dal team di ricercatori è perciò quella di modificare i transistor attuali per integrare materiali ferroelettrici nel loro progetto, un cambiamento che potrebbe potenzialmente generare una maggiore carica da una tensione ridotta. Questo consentirebbe agli ingegneri di avere transistor in grado di dissipare meno calore e potrebbe favorire ulteriormente la riduzione dei processi di produzione.

Tutto è molto bello e promettente, ma c'è un ostacolo. La capacitanza negativa è stata riscontrata a 200 gradi Celsius, un valore troppo elevato rispetto a quello cui funzionano i microprocessori odierni. Per questo i ricercatori stanno vagliando nuovi materiali ferroelettrici integrabili in nuovi transistor e che manifestino la capacitanza negativa a temperatura ambiente.

I materiali ferroelettrici, come già scritto in passato, sono interessanti anche per le memorie DRAM (Memoria ferroelettrica, densità da capogiro), ma anche dispositivi che devono stoccare energia, supercondensatori necessari a caricare auto elettriche e altre applicazioni.