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Cavalcando la legge di Moore: nanodispositivi piccoli come cellule nervose

Nel campo dei sistemi elettronici informatici ultra-small sono stati fatti dei passi in avanti molto importanti per merito di un team interdisciplinare di scienziati e ingegneri della MITRE Corporation e della Harward University [1].

Si tratta di alcuni passaggi chiave che prolungano la vita alla legge di Moore, che si pensava fosse alla fine imminente, in cui si afferma che la densità del dispositivo e la capacità di elaborazione complessiva per i computer raddoppia ogni due o tre anni.

La macchina a stato finito con nanofilo (in colori falsati) costruita da nanofili assemblati, occupa la piccola regione centrale del chip insieme alle altre caratteristiche corrispondenti alle linee metalliche usate per il rodaggio del sistema integrato. Credit: Jun Yao and Charles Lieber, Harvard University.

La macchina a stato finito con nanofilo (in colori falsati) costruita da nanofili assemblati, occupa la piccola regione centrale del chip insieme alle altre caratteristiche corrispondenti alle linee metalliche usate per il rodaggio del sistema integrato. Credit: Jun Yao and Charles Lieber, Harvard University.

In un paper che è uscito questa settimana su “Proceedings of the National Academy of Sciences”, il team descrive il processo di progettazione e di assemblamento, dal basso verso l’alto (bottom-up), usato per la creazione di un computer funzionante super-sottile: il sistema nano-elettronico più denso mai costruito.

Il processore di controllo ultra-piccolo e a bassissimo consumo energetico – chiamato “nanoelectronic finite-state machine”, o semplicemente “nanoFSM” [NdR: macchina nanoelettronica a stato finito] è più piccolo di un cellula nervosa umana ed è composta da centinaia di transistors di nanofili, ognuno dei  quali è un interruttore circa 10.000 volte più sottile di un capello umano. I transistor nanowire, essendo “non volatili”, usano pochissima energia. In questo modo, anche senza corrente, gli interruttori si ricordano se sono accesi o spenti.

All’interno del nanoFSM i nano-interruttori sono assemblati e organizzati in circuiti su tante piccole “mattonelle”, e insieme, convogliano piccoli segnali elettronici intorno al computer, consentendogli di ottimizzare calcoli e processi sui segnaliche potrebbero essere utilizzati per controllare sistemi molto piccoli, ad esempio minuscoli dispositivi medici terapeutici, sensori e attuatori, o addirittura robot dalle dimensioni di un insetto.

Nel 2011, il team MITRE-Harvard aveva dimostrato la capacità di eseguire semplici operazioni logiche da parte di una singola di queste sottilissime piastrelle.

In questa loro recente collaborazione hanno unito diversi mattoncini su di un singolo chip per creare un primo nanocomputer programmabile, unico di questo genere.

E’ stata un sfida riuscire ad mettere in piedi un sistema e sviluppare progetti di nanocircuiti che riuscissero ad imballare tutte le funzioni di controllo che volevamo, all’interno di un sistema cosi piccolo” dice Shamik Das, architetto capo del nanocoputer ed ingegnere principale e leader del team al MITRES’S Nanosystems Group. “Una volta avuti i progetti però, i nostri collaboratori di Harvard li hanno resi realizzabili, facendo un ottimo lavoro di innovazione ”.

La costruzione di questo nanocomputer è stata possibile grazie a passi avanti significativi ottenuti in quei processi che assemblano con estrema precisione le dense matrici dei nanodispositivi che erano necessari a questo progetto. Grazie a ciò è anche stato possibile produrre copie multiple del nanoFSM, usando un approccio innovativo dove, per la prima volta, nanosistemi complessi vengono assemblati in maniera economica dal basso verso l’alto (from bottom up), attenendosi in conformità al progetto pre-esistente.

Fino ad ora ciò era possibile usando i metodi di fabbricazione top-down litografici a basso costo, senza però l’assemblamento bottom-up.

Per questo motivo – secondo la legge di Moore che sta spingendo l’ industria elettronica – il nanoFSM, e lo scopo per il qule è stato pensato rappresentano un passo avanti rispetto alla tendenza di miniaturizzazione che prosegue da 50 anni a questa parte con importanti risvolti economici.

Visti i limiti dei metodi della sua fabbricazione litografica convenzionale e su transistor convenzionali, molti esperti di quest’’industria affermano che il trend della legge di Moore potrebbe essere arrivato alla fine. Altri hanno detto che succederà in meno di 5 anni, con le conseguenze economiche negative a cui ciò porterebbe, a meno che non ci siano innovazioni importanti tecnologiche e di fabbricazione, come avvenuto con i nanoFSM.

James Ellenbogen, scienziato capo della nanotecnologia al MITRE, e un esperto in costruzione di computer integrati su scala nanometrica, hanno detto: “Non tutte le risposte necessarie all’industria vengono date dal nanoFSM e dai nuovi metodi che sono stati inventati per costruirlo, anche se, credo che incorporino passi in avanti importanti in due delle aree chiave dell’industria elettronica in cui ci si è focalizzati proprio per estendere la legge di Moore”:

Il team di sviluppo al MITRE ha aggiunto, assieme a Das e Ellenbogen, anche James Klemic, direttore del laboratorio della nanotecnologia della corporation. I ricercatori del MITRE, organizzazione pioniera nel campo della nanotecnologia dal 1992, hanno collaborato con un team di tre persone ad Harward, capeggiati da Charles Lieber, investigatore di fama mondiale in questo campo.

Daniel Iversen
31 gennaio 2014

[1] http://phys.org/news/2014-01-law-nanocomputing-nanowire-tiles.html


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