Niente di più piccolo

La maggior parte dei nostri dispositivi portatili, siano essi laptop, tablet, telefonini o smartwatch, funzionano grazie a piccole unità centrali di elaborazione (Central Processing Unit, CPU).

Tali unità sono circuiti elettronici delle dimensioni di pochi millimetri dove si ha un numero enorme di componenti fabbricati su una sola piastrina di semiconduttore. Per fare un esempio, il CPU Apple A14 Bionic, il cervello dell’iPhone 12, ha una dimensione della piastrina di 88 mm2 (essendo tale piastrina quadrata, il lato è lungo circa 9,4 mm) e contiene quasi 12 miliardi di transistor. Il CPU Apple A15 Bionic, montato sugli iPhone 13, è il 15% più grande del suo predecessore, con quasi 15 miliardi di transistor. Un ulteriore miglioramento è arrivato con il recentissimo Apple A16 Bionic degli iPhone 14, con 16 miliardi di transistor.

Il transistor è il mattoncino alla base di questi circuiti costituiti da un materiale semiconduttore e tre contatti elettrici, capace di amplificare un segnale elettrico o di fare da interruttore per tale segnale. Facendo un semplice conto, nell’A14 Bionic troviamo 134 milioni di transistor per ogni millimetro quadrato. Da qui è chiaro il termine microprocessore: un circuito monolitico, o integrato, in cui ogni componente ha dimensioni microscopiche. Infatti, la dimensione laterale del transistor è di pochi milionesimi di metro (micrometri), mentre lo spessore può essere di pochi miliardesimi di metro (nanometri). Se ne parlerà più avanti.

Quante sono le rivoluzioni legate allo sviluppo dei circuiti integrati? Non dobbiamo pensare solo alle rivoluzioni legate alle apparecchiature per il lavoro. Con circuiti integrati relativamente semplici sono stati costruiti pedali in grado di distorcere il suono di una chitarra elettrica. Stevie Ray Vaughan ha usato il circuito integrato JRC4558 di Japan Radio Company, cuore pulsante del pedale Tube Screamer di Ibanez, per sviluppare il suo suono inconfondibile. Un circuito simile è alla base del Big Muff di Electro Harmonix, effetto utilizzatissimo da David Gilmour dei Pink Floyd e tanti altri chitarristi. E l’uso di overdrive e distorsori per chitarre sono piccola cosa in confronto all’avvento della musica elettronica. Le ultime rivoluzioni nella musica sono sicuramente dovute all’introduzione dei circuiti integrati.

Tuttavia, la rivoluzione dove il circuito integrato veste il ruolo di protagonista assoluto è quella informatica. E in questo caso si parla di integrazione su scala molto larga di componenti (Very Large Scale Integration, VLSI), quindi di microprocessori. La tesi di Federico Faggin, l’inventore del microprocessore, è che così come il motore ha permesso il passaggio dalla società agricola alla società industriale, il microprocessore ha permesso il passaggio dalla società industriale alla società informatica. La dimensione del mercato globale dei microprocessori è stata valutata in 69,23 miliardi di dollari nel 2021.

Le industrie leader del settore sono principalmente americane e asiatiche: Intel, AMD, Texas Instruments, Qualcomm, Broadcom, Samsung ecc. Anche in Europa vi sono attori importanti nella produzione di microprocessori, come la italo-francese STMicroelectronics e la tedesca Infineon.

I settori dove sono principalmente impiegati i microprocessori sono certamente il già menzionato settore informatico, con computer e tablet, il settore della telefonia, con smartphone che hanno prestazioni ormai quasi paragonabili a quelle di un computer portatile, e quello dell’elettronica indossabile, con dispositivi sempre più diffusi come gli smartwatch. Tuttavia, i microprocessori stanno diventando importanti per i diversi dispositivi che troviamo in automobili e macchinari industriali via via più “intelligenti”. Questi enormi settori come quelli automotive e dell’attrezzatura industriale sono diventati sempre più dipendenti dalla produzione di microprocessori. Lo vediamo in questi ultimi mesi con la crisi delle produzioni asiatiche che sta mettendo in ginocchio la produzione di automobili (soprattutto negli Stati Uniti e in Europa) e la conseguente volontà dell’amministrazione americana e dell’Unione europea di puntare con forza su un potenziamento della produzione di microprocessori. Per sottolineare quanto determinanti siano le risorse messe in campo è stato riportato che il 9 agosto 2022 Joe Biden ha firmato il Chips and Science Act, un piano da 52 miliardi di dollari per incrementare la produzione di chip negli Stati Uniti. Nel febbraio del 2022 la Commissione europea ha firmato il Chips Act, un piano analogo a quello statunitense, da 43 miliardi di euro. In Europa, si vedono diversi tipi di azioni. Da un lato, si sta investendo molto sulle aziende europee per raggiungere una sorta di “sovranità elettronica”: la tedesca Infineon è trainata dal forte bisogno di microprocessore del settore automobilistico, mentre la italo-francese STMicrolectronics sta ultimando in questi mesi il nuovo stabilimento di Agrate Brianza, R3, che permetterà di fabbricare wafer di silicio del diametro di 300 mm, consentendo di aumentare significativamente la produzione di microprocessori. Dall’altro, grandi aziende statunitensi si stanno muovendo in Europa, come Intel che investirà 80 miliardi di dollari in industrie sul territorio europeo, tra cui Italia e Germania.Per capire come funziona un microprocessore è necessario parlare dei transistor. Usando forse una impropria analogia con un organismo, si potrebbe dire che i transistor sono le cellule di un microprocessore.

Il transistor
Probabilmente il transistor e il laser sono i dispositivi più importanti sviluppati nel secolo scorso. I tre ricercatori dei Bell Labs che hanno realizzato il primo prototipo di transistor nel 1947, Walter Brattain, John Bardeen e William Shockley, hanno ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 1956. Il transistor è il mattoncino fondamentale per la fabbricazione dei microprocessori. È basato su un materiale semiconduttore, nella maggior parte dei casi silicio (ma può essere anche arseniuro di gallio o altri elementi o leghe più esotici), che fa passare corrente tra due contatti metallici in maniera controllata, mediante l’uso di un terzo contatto metallico, e amplificata. Una configurazione semplice e intuitiva potrebbe essere questa: i primi due contatti si trovano ai capi dello strato di silicio; il terzo è sotto il silicio mentre un controllo della tensione elettrica permette o blocca il passaggio delle cariche elettriche tra i primi due. Questo controllo attivo della corrente permette di lavorare molto facilmente con un sistema binario. Per esempio, si può associare l’interruttore spento a uno 0 e l’interruttore acceso a un 1.
Le dimensioni laterali di un transistor sono ormai di pochi micrometri (milionesimi di metro). Ma è lo spessore il parametro assolutamente rimarchevole. Esistono transistor dove il materiale attivo è un monostrato di atomi di silicio, il silicene, oppure è uno strato quasi monoatomico di disolfuro di molibdeno (circa tre strati atomici). Questi transistor sono ancora oggetto di studi accademici, ma con buona probabilità saranno disponibili in commercio tra pochi anni.

La CPU
Per CPU (Central Processing Unit, unità centrale di elaborazione) s’intende il microprocessore che fa funzionare un computer, un tablet, uno smartphone ecc. In essa i milioni o miliardi di transistor cooperano per eseguire programmi o applicazioni. Nel suo funzionamento, la CPU acquisisce i dati da una memoria (fetching), determina quale operazione eseguire (decoding), esegue l’operazione mediante calcoli matematici (executing), scrive nella memoria il risultato (write back). Un microprocessore con velocità di clock di 3 GHz esegue tre miliardi di cicli a secondo. In base alle istruzioni, in un ciclo si possono eseguire più istruzioni, oppure un’istruzione può richiedere più cicli.

Oltre la CPU: il computer quantistico
Negli ultimi anni, dal 2019, alcune aziende come IBM commercializzano i computer quantistici. Per l’informatica è un cambio di paradigma, perché dal circuito integrato basato sui transistor funzionanti come interruttori si passa a dispositivi in grado di possedere un numero potenzialmente infinito di stati, permettendo così operazioni non basate sulla semplice logica binaria. Come detto sopra, nel microprocessore il transistor funge da interruttore e questo interruttore può essere acceso o spento; misurando il suo comportamento elettrico, un transistor spento è associato a un valore uguale a 0, mentre un transistor acceso è associato a un valore uguale a 1. Tutte le informazioni in un computer, dai semplici caratteri alfanumerici a oggetti più complessi, sono rappresentate da serie di 0 e 1 (logica booleana). Se si sostituisce il transistor con un altro oggetto, sia esso un atomo o una molecola, è possibile sfruttare alcune proprietà atomiche o molecolari, come per esempio il momento magnetico nucleare (correlabile alla direzione di rotazione di protoni e neutroni, dell’atomo o atomi, attorno al proprio asse). In meccanica quantistica, tale proprietà non è caratterizzata dalla coppia di valori 0 o 1, ma da un numero potenzialmente infinito di combinazioni di tale direzione (bit quantistico o quantum bit). Quindi, se la capacità di calcolo basata sui transistor aumenta linearmente in relazione al numero di transistor (una coppia di valori 0/1 per ogni transistor), la capacità di calcolo dei bit quantistici cresce esponenzialmente aumentando il numero di bit. Tuttavia, tale capacità di calcolo necessita di caratteristiche del sistema particolarmente vincolanti, come per esempio le bassissime temperature, molto vicine allo zero assoluto (-273,15 °C). Inoltre, l’approccio tecnologico utilizzato sinora consente l’utilizzo, in un singolo computer, di un numero limitato, 
circa un centinaio, di bit quantistici. Per le attività quotidiane come la scrittura, preparazione di presentazioni e fogli di calcolo, riunioni in remoto e realizzazione di contenuti multimediali si continueranno a usare con tutta probabilità computer basati sui transistor, mentre per operazioni come i problemi di ottimizzazione, l’analisi dei dati e le simulazioni si prediligerà l’utilizzo dei computer quantistici.