I ricercatori della IBM e del Georgia Institute of Technology hanno presentato il primo chip in Silicio in grado di funzionare a frequenze superiori a 500 GHz -- 500 miliardi di cicli al secondo -- “congelando” criogenicamente il chip a -268.65 gradi Celsius (4,5° Kelvin). Temperature estremamente basse come questa si trovano naturalmente solo nello spazio siderale, ma possono essere raggiunte in maniera artificiale sulla terra utilizzando materiali come l’elio liquido. Lo Zero Assoluto (0 gradi Kelvin), la temperatura più fredda possibile in natura, si verifica a -273.15 gradi Celsius o centigradi.
A titolo di esempio, 500 GHz è una frequenza superiore di 250 volte a quella in uso nei telefoni cellulari di oggi, che tipicamente funzionano a circa 2 GHz. Le simulazioni al computer suggeriscono che la tecnologia Silicio-Germanio (SiGe) utilizzata in questo chip potrebbe sostenere frequenze operative perfino superiori (quasi un TeraHertz, 1.000 GHz) anche a temperatura ambiente. Gli esperimenti, condotti congiuntamente dai ricercatori di IBM e Georgia Tech, fanno parte di un progetto di esplorazione dei limiti massimi di velocità delle apparecchiature al Silicio-Germanio (SiGe), che funzionano più velocemente a temperature molto basse. I chip utilizzati nella ricerca provengono da un prototipo di tecnologia SiGe di quarta generazione prodotto da IBM su un wafer da 200 millimetri. A temperatura ambiente, essi funzionano gia’ a circa 350 GHz.
“Per la prima volta, Georgia Tech ed IBM hanno dimostrato che è possibile raggiungere velocità di cinquecento miliardi di cicli al secondo in una tecnologia commerciale basata su Silicio, utilizzando grossi wafer e tecniche di produzione a basso costo compatibili con il Silicio stesso,” ha affermato John D. Cressler, Byers Professor presso la Georgia Tech’s School of Electrical and Computer Engineering, e uno dei ricercatori del Georgia Electronic Design Center (GEDC) presso la Georgia Tech.
"La ricerca congiunta di Georgia Tech ed IBM ridefinisce i limiti prestazionali dei semiconduttori basati su silicio," ha affermato Bernie Meyerson, vice President and Chief Technologist della divisione IBM Systems and Technology Group. "IBM si è impegnata a lavorare a stretto contatto con i partner accademici ed industriali per innovare e ottenere una nuova generazione di microprocessori ad alte prestazioni, con consumi ridotti."
SiGe è una tecnologia di processo nella quale le proprietà elettriche del Silicio, il materiale che sta virtualmente alla base di tutti i moderni microchip, vengono “drogate” con il Germanio in modo da far funzionare i chip in maniera più efficiente. SiGe aumenta enormemente le prestazioni e riduce i consumi elettrici nei chip integrati in telefoni cellulari ed altre avanzate apparecchiature di telecomunicazione.
IBM ha annunciato per la prima volta la propria tecnologia SiGe nel 1989 e l’ha introdotta nei primi chip industriali in produzioni a elevati volumi nell’ottobre 1998. Da allora, ha venduto centinaia di milioni di chip SiGe. Le possibili applicazioni dei circuiti ad altissima frequenza in Silicio-Germanio riguardano sistemi commerciali di comunicazione, elettronica per la difesa, esplorazione spaziale e telerilevamento. Raggiungere velocità tanto elevate con la tecnologia basata su Silicio – che può essere prodotta utilizzando tecniche convenzionali a basso costo – potrebbe offrire una soluzione per applicazioni ad alto volume. Fino ad ora, solamente i circuiti integrati fabbricati dai più costosi materiali semiconduttori composti di tipo “III-V” hanno raggiunto livelli tanto estremi di prestazioni dei transistor.
Una migliore comprensione della fisica delle apparecchiature Silicio-Germanio – e quindi dei circuiti che possono essere costruiti partendo da esse– fornirà indizi importanti per i miglioramenti necessari in futuro. “In queste apparecchiature osserviamo degli effetti a temperature criogeniche che le rendono più rapide di quanto non suggerirebbe la semplice teoria, e potrebbero offrire prospettive ancora piu’ interessanti,” ha spiegato Cressler. “Comprendere la fisica alla base di questi transistor avanzati ci consente di migliorare la prossima generazione di circuiti integrati basati su Silicio.”
La tecnologia Silicio-Germanio interessa l’industria elettronica perché permette di raggiungere sostanziali miglioramenti nelle prestazioni dei transistor utilizzando tecniche di fabbricazione compatibili con i processi di produzione standard ad alto volume basati su silicio. Introducendo il germanio nei wafer di Silicio su scala atomica, gli ingegneri possono far aumentare enormemente le prestazioni mantenendo i tanti vantaggi del Silicio.
Oltre a Cressler, la squadra di ricerca comprendeva gli studenti Ph.D del Georgia Tech. Ramkumar Krithivasan e Yuan Lu; Jae-Sun Rieh della Korea University di Seul, South Korea (precedentemente ad IBM); e Marwan Khater, David Ahlgren e Greg Freeman di IBM Microelectronics a East Fishkill, N.Y.
I risultati dello studio verranno pubblicati nel numero di luglio della rivista della IEEE, Electron Device Letters. La ricerca è stata finanziata da IBM, NASA, e dal GEDC della Georgia Tech.
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