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CPU multitasking ai nanotubi di carbonio, addio silicio

Realizzato il primo processore funzionante basato su nanotubi di carbonio invece che su silicio.

Scienziati dell'Università di Stanford (Stanford Nanoelectronics Lab e Stanford Robust Systems Group) hanno realizzato il primo computer completo che usa un processore costituito da nanotubi di carbonio. Si segna così una nuova pietra miliare nella storia del PC (Storia dei computer, un'evoluzione lunga 70 anni): i nanotubi di carbonio sono infatti tra i migliori candidati per sostituire il silicio. La ricerca è stata pubblicata su Nature (PDF disponibile per 30 euro).

Il processore in questione ha capacità comparabili a quelle dell'Intel 4004, spiega Subhasish Mitra, uno degli ingegneri che hanno lavorato al progetto. Parliamo di un chip datato 1971, ma anche di un risultato incredibile perché ottenuto con una tecnica assolutamente nuova.

Scansione al microscopio del nuovo processore

Il sistema ottenuto per quanto limitato è capace di multitasking, infatti "può eseguire due programmi contemporaneamente, uno di calcolo e uno di ordinamento", spiega il prof H. S. Philip Wong, uno dei leader del gruppo di ricerca.  

"I ricercatori hanno deciso di realizzare una singola funzione logica chiamata SUBNEG", aggiunge poi John Timmer di Ars Techinca. Una scelta che tuttavia permette di inserire "20 diverse istruzioni dell'architettura MIPS usando i nanotubi […]. C'è persino una specie di sistema operativo, che carica i programmi su blocchi di memoria e tiene traccia di quale blocco sta eseguendo (un'istruzione) e quale indirizzo di memoria e sotto elaborazione. Ogni programma può cedere il controllo a un altro; quando lo fa il sistema operativo sceglie i blocco successivo, e trova l'indirizzo di memoria seguente", continua Timmer.

La CPU contiene 178 (142 secondo alcune fonti) transistor ognuno dei quali è costituito da diversi nanotubi di carbonio. "Il prototipo di Stanford è costituito da transistor gargantueschi rispetto agli standard attuali – un micron contro 22 nanometri – ma è ciò che gli scienziati chiamano una macchina di Turing completa, nel senso che può fare ogni tipo di elaborazione, se le si dà abbastanza tempo", spiega John Markkoff sul New York Times. "In linea di principio potremmo eseguire una versione a 64 bit di Windows, ma ci metterebbe milioni di anni", ha commentato poi Max Shulaker, uno degli studenti che ha preso parte a progetto.

Anche considerati i limiti si tratta di un risultato eccitante, che può solo migliorare: grazie alle proprietà dei nanotubi un processore come quelli creati a Stanford potrebbe contenere più transistor ed essere più potente di quelli al silicio. I nanotubi di carbonio inoltre sono migliori del dissipare il calore, e questo dovrebbe aiutare ad aumentare ulteriormente le frequenze di lavoro. Di contro, un processore Intel o AMD attuale non può superare un certo limite di overclock senza danneggiarsi proprio a causa del calore eccessivo.

Mitra, insieme al collega Philip Wong, ha anche trovato un metodo per realizzare le CPU a nanotubi di carbonio con un metodo simile a quello usato per il silicio – anche se le difficoltà da questo punto di vista son ancora molte.

"Credo che sia un ottimo lavoro" ha commentato Supratik Guha di IBM. "È una dimostrazione rudimentale che i nanotubi di carbonio possono servire per realizzare un computer universale, o una macchina di Turing completa. Non è il computer più efficiente, ma non era l'obiettivo. È uno dei primi passi".

E i passi successivi arriveranno, anzi devono arrivare piuttosto in fretta, perché non ci restano che dieci anni circa prima che la legge di Moore perda la propria validità. Per mantenere costante la crescita nella potenza dei dispositivi elettronici dobbiamo trovare una valida alternativa al silicio, e i nanotubi di carbonio sono tra i migliori candidati.

Il margine di miglioramento per i nanotubi di carbonio è comunque ampio. Questa CPU ha pochi transistor, nonché frequenze e tensioni di lavoro molto basse, e arrivare ai livelli di un Intel Xeon o di un AMD Opteron richiede ancora parecchio lavoro. I risultati potrebbero però arrivare in fretta se si dovesse passare dai laboratori universitari a fabbriche attrezzate come quelle di Intel, Samsung o TMSC. Qualsiasi cosa si decida di fare, andrà fatta piuttosto in fretta: 10 anni non sono poi molti.

Subhasish Mitra

Ci sono anche altri candidati a prendere la corona del silicio: nanofili, spintronica, grafene, computer biologici. Solo con i nanotubi di carbonio però abbiamo visto una vera e propria CPU, fa notare Katherine Bourzac su MIT Technology Review.  

Senza trascurare ovviamente i computer quantistici: D-Wave ne produce uno limitato che non si può definire macchina di Turing completa – ma ciò non ha impedito a Google e alla NASA di procurarsene un esemplare per, si suppone, circa dieci milioni di dollari.

Secondo voi cosa ci sarà nei nostri computer tra una quindicina d'anni?