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Da alcuni anni è partita la ricerca di atenei e aziende per usare materiali alternativi al silicio nella realizzazione di microprocessori. È infatti sempre più difficile miniaturizzare i vari componenti che compongono un chip, in quanto ci si sta approcciando ai limiti fisici ed elettrici del silicio.
Tra i tanti candidati a sostituire il silicio ci sono i nanotubi di carbonio, dei semiconduttori con proprietà elettriche fantastiche e soprattutto molto piccoli, che consentono quindi un’ulteriore riduzione delle dimensioni dei transistor.
Finora però si è dimostrato molto difficile far crescere i nanotubi laddove necessari, oltre che manipolarli per collocarli nel posto giusto. Nonostante alcuni progressi, i risultati sono ancora limitati e difficilmente sarà possibile realizzare un processore ad alte prestazioni ai nanotubi di carbonio per diverso tempo.
Qualcosa però si muove. Un gruppo di ricercatori - MIT e Analog Devices - ha usato nanotubi di carbonio per realizzare un processore RISC-V (libera da restrizioni e costi di licenza) in grado di gestire istruzioni a 32 bit e svolgere l’indirizzamento della memoria a 16 bit.
Stiamo parlando di un processore molto semplice, ma che è riuscito a eseguire una variante della famosa demo di programmazione “Hello word”. Il chip è stato prodotto usando nuove tecnologie che possono essere usate in un impianto produttivo tradizionale.
Uno dei vantaggi dei transistor realizzati con i nanotubi di carbonio rispetto ai transistor al silicio è che possono essere prodotti su più strati, permettendo quindi la progettazione di chip 3D molto densi.
Anche la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ritiene che i nanotubi di carbonio abbiano le potenzialità per consentire la produzione di futuri chip 3D con prestazioni simili o migliori a quelli in silicio, ma che possono essere prodotti a costi decisamente inferiori.
Un aspetto decisamente importante se pensiamo che la produzione di chip diventa sempre più costosa. Per arrivare all’attuale chip RISC-V con 15.000 transistor il professor Max Shulaker ha iniziato a lavorare sul progetto circa 10 anni fa. Nel 2013 era riuscito a realizzare un processore a 1 bit con 178 transistor. “10 anni fa speravamo che fosse possibile. Ora sappiamo che è possibile… e che può essere fatto in impianti commerciali”, ha dichiarato il professore a IEEE Spectrum.
Per arrivare a creare il chip, chiamato V16X-NANO, gli ingegneri del MIT, Analog Devices e in seguito Skywater Technology Foundry, hanno sviluppato tre nuove tecnologie commercialmente applicabili per aggirare i problemi che riguardano la bassa purezza e uniformità dei nanotubi di carbonio, oltre all’impossibilità di creare transistor n-type e p-type per creare circuiti logici complementari.
Per realizzare i transistor ai nanotubi di carbonio è necessario diffondere una soluzione su un wafer di silicio. I nanotubi tendono tuttavia ad raggrupparsi in insiemi di 1000 o più, e questi insiemi non possono essere usati per creare transistor. In un’ottica di produzione di chip su larga scala questo è un problema se avviene troppo spesso, in quanto molti chip dovrebbero essere gettati via.
Uno degli studenti di Shulaker, Christian Lau, è stato in grado di mettere a punto una soluzione, chiamata RINSE, che dovrebbe consentire al produttore di “lavare” gli insiemi di nanotubi di carbonio dal wafer, lasciando solo i transistor uniformi e funzionanti.
Il ricercatore Gage Hill ha inoltre creato una terza soluzione, chiamata “DREAM”, per superare il problema della purezza. I migliori processi commerciali possono attualmente produrre solo nanotubi semiconduttori al 99,99% e 0,01% di nanotubi metallici, il che è un livello di purezza troppo basso per ottenere chip ai nanotubi di carbonio complessi.
Hill ha notato che il problema principale legato alla bassa purezza non era il consumo energetico elevato, ma la rumorosità. Una volta compreso questo aspetto, ha sviluppato soluzione che dovrebbe combinare gate logici in modo da ridurre il rumore.
La terza scoperta, chiamata MIXED, ha permesso agli ingegneri di creare transistor NMOS e PMOS. Questi due tipi di transistor sono già usati da decenni nei chip in silicio, ma non in quelli ai nanotubi in carbonio. Il primo chip a 1 bit creato da Shulaker usava solo transistor PMOS. Il processo MIXED è a bassa temperatura, quindi i transistor possono essere realizzati su altri strati di circuiteria senza danneggiarli.
Nel documento legato a questo studio, i ricercatori hanno parlato di tutte le limitazioni del progetto del loro chip, come il fatto che abbia una frequenza operativa di soli 10 kHz, ma anche di potenziali miglioramenti. Diciamo che è un timido inizio. Probabilmente le prime soluzioni ai nanotubi di carbonio saranno prodotti a basse prestazioni, come ad esempio i microcontrollori.