La perpetuazione della Legge di Moore: il concetto di More Moore

Di - 30 April 2014 - in
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Nel precedente articolo abbiamo spiegato che cosa è la Legge di Moore, da dove è nata e quali sono le sue implicazioni per l’industria dei microprocessori. Abbiamo anche accennato a due concetti, chiamati rispettivamente More Moore e More than Moore, che stanno assumendo negli ultimi anni una rilevanza sempre più significativa.

La International Roadmap for Semiconductors, coniò i due termini al fine di identificare e delimitare concettualmente due ambiti di ricerca, produzione e mercato, in grado di affiancare, per così dire, il concetto di Legge di Moore e assicurare la sua verificabilità nel tempo.

More Moore (letteralmente “più Moore”) è un trend che vede nella ricerca e sviluppo di nuove tecnologie, l’assicurazione del perpetuarsi futuro della “congettura di Moore”, ovvero il raddoppio del numero di transistor ogni due anni. Come abbiamo visto infatti, il report ITS del 2010 aveva “infranto” la Legge di Moore per l’anno 2013, spostando a 3 anni il raddoppio del numero di transistor.

I problemi che hanno portato a questa situazione sono di natura fisica, tecnica e tecnologica e riguardano, rispettivamente: la crescente difficoltà di dissipazione dell’energia, le dimensioni che si avvicinano a quelle atomiche e costi di R&D e produzione eccessivi rispetto ai vantaggi diretti dell’incremento del numero dei transistor.

Pianificare con 15 anni di anticipo

Il documento relativo alla roadmap ITRS nel 2012 conteneva una riflessione importante. Osservando le innovazioni degli ultimi dieci anni, quelle che hanno condotto ai successi di produzione dei CMOS -e sostanzialmente al rispetto della Legge di Moore- sono quelle che derivano da ricerche iniziate 10-15 anni prima della loro incorporazione nel processo produttivo dei CMOS stessi. Ad esempio, ricerche fondamentali come quelle relative allo Strained silicon, agli high-κ/metal-gate e, soprattutto, ai multigate transistor, iniziarono tutte negli anni ‘90.

Da questa osservazione derivava una semplice domanda: che cosa avrebbe dovuto fare la ITRS per identificare le necessità dell’industria dei semiconduttori per i successivi 10-15 anni?

La risposta dell’industria a queste problematiche è stata fondamentalmente quella di investire ancora di più in ricerca e sviluppo ed esplorare nuove tecnologie che permettano di superare il paradigma dei CMOS standard.

Che cos’è il CMOS

Apriamo ora una piccola parentesi. CMOS è l’acronimo di Complementary metal–oxide–semiconductor, ossia una tecnologia per la costruzione di circuiti integrati, tra cui i microprocessori. Come dice l’acronimo, la tecnologia CMOS si basa principalmente sull’invertitore a transistor MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) da cui derivano due dei vantaggi principali del CMOS, ossia un buon margine di immunità ai disturbi e, cosa che interessa maggiormente il nostro discorso, ottime proprietà di dissipazione della potenza statica. Questo effetto è dovuto in particolare alla complementarità che caratterizza il funzionamento del CMOS stesso. Per fornire i livelli logici di funzionamento, il CMOS utilizza infatti due strati di metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) complementari. Il primo strato, detto P-MOS si accende solo se la tensione in corrispondenza del proprio gate è minore rispetto alla tensione di soglia (tensione necessaria ad accendere il dispositivo). P-MOS fornisce il livello logico LL1. Il secondo strato N-MOS si accende solo se la tensione in corrispondenza del gate è maggiore rispetto alla tensione di soglia. N-MOS fornisce il livello logico LL0.

Sezione trasversale di due transistor in una porta CMOS

Sezione trasversale di due transistor in una porta CMOS (Fonte Wikipedia)

Questo principio di funzionamento, ottimale per quanto riguarda la dissipazione dell’energia e la riduzione del rumore, ha permesso l’utilizzo dei transistor nelle implementazioni dette VLSI (very large scale integration), termine usato sin dagli anni ‘80 per definire le integrazioni di grandi quantità di transistor all’interno di un singolo chip.

I limiti della tecnologia

Come abbiamo accennato, arrivati ad un certo livello di VLSI i livelli di dissipazione energetica cominciano a diventare importanti.

Andando avanti di questo passo, si prevede che entro i prossimi dieci anni si arriverà alla costruzione di CMOS contenenti transistor di dimensioni inferiori ai 10 nm. Si pensa che, giunti alla soglia dei 5-7 nm, non sarà più possibile operare correttamente strutture di transistor basati sul principio del metallo-ossido-semiconduttore. Una di queste ragioni è dovuta ad un fenomeno di meccanica quantistica chiamato Quantum Tunnelling o Effetto Tunnel. Alla base di questo effetto c’è una proprietà degli elettroni di “attraversare” le barriere elettroniche. Con l’ammassarsi dei transistor la distanza tra gli stessi diminuisce sempre più, cosa che provoca il passaggio di elettroni, ovvero di corrente elettrica, ed inficia il funzionamento del transistor MOSFET.

Effetto Tunnel

Effetto Tunnel con fascio di elettroni che attraversa una barriera elettronica.
(Fonte Wikipedia)

Alcune possibili soluzioni

I costi relativi alla ricerca e i limiti della tecnologia, rappresentano la raison d’être del concetto di “More Moore”.

Attualmente sono molti gli ambiti di ricerca applicata che sono al lavoro per risolvere questo problema. Alcuni di questi sono molto promettenti. Ad esempio i transistor detti “Tunnelling Transistor”.

Questi transistor sfruttano il fenomeno del Quantum Tunnelling a vantaggio del loro funzionamento. Differentemente dal MOSFET che funziona alzando ed abbassando una barriera energetica al fine di controllare il flusso energetico, i Tunnel FET o TFET mantengono tale barriera sempre in funzione. Il transistor si accende e si spegne alterando la probabilità che un elettrone, presente ad un lato della barriera, si materializzi nell’altro lato della barriera energetica. Per fare ciò il transistor TFET utilizza il proprio gate per variare l’effettivo spessore elettrico della barriera energetica e, quindi, la probabilità del passaggio del flusso elettronico attraverso la stessa. Applicando ad esempio un incremento di voltaggio al gate, si aumenta la probabilità di passaggio del flusso degli elettroni.

Funzionamento di un transistor tipo TFET

Funzionamento di un transistor tipo TFET. Il transistor si accende quando viene applicato un determinato voltaggio a livello del gate, tale da permettere il passaggio di elettroni dalla barriera

Un altro ambito di ricerca, non necessariamente alternativo al precedente, prevede lo sviluppo in verticale della disposizione dei transistor, in modo da essere in grado di continuare a perpetuare i processi di VLSI anche quando i limiti su scala orizzontale siano raggiunti.

Ma non è finita qui. Contemporaneamente alle ricerche di natura fisica e tecnologica, si sta anche lavorando sul superamento della logica di funzionamento di tipo booleano. Come si sa questa prevede essenzialmente due stati, 0 e 1, rappresentati nel CMOS come acceso e spento. Ambiti di ricerca come quello del Computer Quantistico, stanno lavorando alla possibilità di avere più di due stati logici.

Come abbiamo visto, l’industria dei semiconduttori non è rimasta alla berlina ma si sta da tempo muovendo con ingenti finanziamenti di R&D al fine di perpetuare gli effetti di scala della Legge di Moore.

Nel prossimo articolo vedremo un secondo aspetto di questo tipo di roadmap e che riguarda il concetto chiamato More than Moore.

Articoli di approfondimento:
http://www.itrs.net/Links/2012ITRS/2012Chapters/2012Overview.pdf
http://googleresearch.blogspot.it/2013/11/moores-law-part-2-more-moore-and-more.html
http://www.sematech.org/meetings/archives/symposia/9027/pres/Session%203/Jammy_Raj.pdf
http://it.wikipedia.org/wiki/MOSFET
http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp/pdf/iwaironbun/0801IIT-B_talk.pdf
http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/the-tunneling-transistor

Fonte Immagine | Intel Free Press

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Gabriele Visconti Articolo scritto da

Editor in Chief per Engeene. Appassionato di Linux, FOSS, videogame e, da poco, di cucina. Parla quattro lingue ed ama leggere libri in lingua inglese.

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