I transistor 3D stanno arrivando per salvare la legge di Moore

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• Come i computer continuano a diventare più veloci ?

• Perché i transistor non possono continuare a diventare più piccoli?

• I transistor 3D stanno arrivando per salvare la legge di Moore

Per decenni, la riduzione dei transistor ha portato ad aumenti esplosivi della potenza di calcolo, ma quei giorni stanno volgendo al termine. La domanda è: dove andiamo adesso? La progettazione 3D è una parte importante della risposta.

Come sono i computer Hai continuato a diventare più veloce?

I processori dei computer sono tutti costituiti da transistor: sono ciò che consente ai computer di eseguire “operazioni logiche”, il che significa confrontare e manipolare i numeri. Se ne combini un numero sufficiente, alla fine arriverai dove siamo oggi: computer in grado di registrare audio, scattare ed elaborare foto, fare calcoli, eseguire il rendering di videogiochi e persino parlarci.

In generale, più transistor hai, più è “intelligente” e più potente sarà il tuo computer.

Quando i transistor furono inventati per la prima volta (intorno al 1950), un singolo transistor era largo circa 2 centimetri (quasi 1 pollice) e sembrava più un oggetto di scena di un film horror di fantascienza che un pezzo di tecnologia funzionale. Oggi le cose sono diverse. I transistor moderni hanno generalmente una larghezza inferiore a 60 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro), che è una riduzione delle dimensioni equivalente all’incirca a ridurre la luna fino alle dimensioni di un limone. I transistor si sono ridotti in modo affidabile da quando sono stati inventati, tanto che il numero di transistor che possiamo stipare in una data area raddoppia all'incirca ogni 18-24 mesi, un fenomeno comunemente chiamato Legge di Moore.

Ora possiamo racchiudere miliardi di transistor in un microprocessore delle dimensioni di una moneta, e questo ha permesso ai computer di trasformarsi da enormi macchine che occupavano interi edifici in dispositivi abbastanza piccoli da poter essere portati in tasca. Ma c'è un problema: i transistor stanno diventando troppo piccoli.

Perché i transistor non possono continuare a diventare più piccoli?

Man mano che i transistor diventano più piccoli, diventa sempre più difficile produrli in modo affidabile. Anche i migliori metodi disponibili provocano sprechi, anche se questa non è sempre una cosa terribile. Ad esempio, se stai cercando di produrre una CPU a 16 core e solo la metà dei core finisce per funzionare, puoi semplicemente disabilitare i core difettosi e venderla come CPU a 8 core, senza alcun danno.

Tuttavia, a volte i difetti influiscono su qualcosa di critico e il tutto deve essere eliminato. Poiché i transistor sono diventati più piccoli, questo problema è diventato più grave.

Al di là delle semplici preoccupazioni di produzione, un effetto peculiare della meccanica quantistica, il tunneling quantistico, diventa problematicamente comune quando si parla di circuiti su scala nanometrica. Il tunneling quantistico fa sì che gli elettroni a volte vadano in posti dove normalmente non sarebbero in grado di andare, e ciò rende difficile creare processori che funzionino in modo affidabile.

I chip possono allargarsi per accogliere più transistor, ma ciò aggrava seriamente la sfida di produzione e rende la progettazione dei microchip ancora più complicata.

La combinazione tra l'aumento delle difficoltà di produzione e i limiti fondamentali della fisica ci ha quasi portato alla fine della legge di Moore, ma con la domanda sempre presente di computer migliori, più intelligenti e più veloci, dove andiamo?

I transistor 3D stanno arrivando per salvare la legge di Moore

I transistor su un chip sono un po' come una città insulare composta da edifici a un piano. Puoi solo rendere gli edifici così piccoli prima che diventino inutilizzabili e, poiché sei su un'isola, non puoi espanderti verso l'esterno per sempre. Proprio come le città insulari, i transistor moderni vengono progettati per sfruttare lo spazio verticale. Invece di fissarli su un piano piatto, possono essere disposti verticalmente insieme per consentire il posizionamento di “cose” in un unico posto. essere disposti nella stessa impronta.

CFET è un progetto 3D che probabilmente vedremo entro l'inizio degli anni '30 circa.

Documento 29.6, “Campo complementare- Dimostrazione di transistor a effetto (CFET) con passo di gate di 48 nm per la futura tecnologia logica
Scaling,” S. Liao et al, TSMC)

Per quanto intelligenti possiamo essere con i progetti di transistor in futuro, non si può evitare il fatto che la fine della legge di Moore si sta avvicinando prima di quanto chiunque vorrebbe. I transistor 3D sono un modo per aggirare temporaneamente il problema, ma sono solo una parte del quadro. C'è una maggiore enfasi sulla progettazione di processori che eccellono in compiti specifici, come le unità di elaborazione neurale (NPU) con applicazioni di intelligenza artificiale, per massimizzare le prestazioni. C'è anche la possibilità che i nuovi materiali abbiano proprietà migliori che consentano ai transistor di prossima generazione di rimpicciolirsi ulteriormente, o che una svolta nell'informatica quantistica li renda più utili per le applicazioni quotidiane, ma non ci sono garanzie. Queste sono opzioni che potrebbero essere limitate in ultima analisi dalle leggi della fisica.