Storia e futuro della prossima rivoluzione elettronica

”The complexity of minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor two per year. Certainly over the short term, this rate is expected to  continue, if not to increase.”

Era il 1965 e Gordon Moore,  chimico Californiano e co-fondatore della Fairchild Semiconductor annotò questa osservazione circa le aspettative di evoluzione della tecnologia dei circuiti integrati e della microelettronica. Per intenderci, di circuiti elettrici miniaturizzati (più piccoli di un centimetro) fabbricati in Silicio. Microchip.

Se apriste il vostro smartphone ne trovereste molti e di molti tipi. Capsule nere di qualche millimetro, rettangolari e circondati da piedini metallici.  Li avrete già visti se avete acquistato una motherboard o aperto il case del vostro desktop,  anche solo per spolverare. Sono saldati sopra schede elettroniche, verdi, in genere

Perché citare Moore? Perché in questo spazio su Gli Stati Generali,  troverete contenuti su tecnologia e innovazione. Perchè  Moore è stato ed è uno dei più grandi visionari del mondo della tecnologia. Perché di lì a poco (insieme a Robert Noyce) fondò la Intel Corporation, che è stata ed è tra gli attori più evoluti di un’industria hi-tech, quella elettronica, che dai tardi anni cinquanta ad oggi ha guidato la quarta rivoluzione industriale. Perché, tra le altre cose, Moore ebbe ragione.

“Ebbe ragione su cosa?” vi starete chiedendo.  Probabilmente, scritta così, la frase iniziale non è molto chiara. Moore si riferiva ai costi e alla complessità di fabbricazione di un qualsiasi circuito integrato (cioè microelettronico). Se avete voglia di leggere il suo articolo del ‘65, scoprirete che stava già parlando di telefonia cellulare, orologi elettronici e personal computer. Se non avete voglia non c’è problema, ma continuate a leggere. Questo spazio è pensato  per destare curiosità e cercare di dipingere (specialmente per i non esperti) una visione d’insieme sulle prospettive di evoluzione tecnologica e la riflessione non poteva che partire dall’uomo che nell’ultimo mezzo secolo fu in grado di farlo meglio di chiunque altro. Ora però facciamo un passo indietro.

Indietro nel tempo.

Prima di fondare la Fairchild, nel 1957, Moore lavorò nel settore R&D della Shockley  Semiconductor, società avviata da William Bradford Schockley, un ricercatore dei Bell Labs che solo un anno prima, presso gli stessi laboratori ed insieme a John Bardeen e Walter Houser Brattain, ricevette il premio Nobel per la fisica. Il motivo del premio fu l’invenzione del Transistor, un piccolissimo dispositivo a semiconduttore destinato a cambiare l’economia del mondo sviluppato.

I transistor diventarono da subito gli elementi  fondamentali di ogni circuito integrato. Nel corso dei decenni ne furono studiati diversi tipi, realizzati sperimentando differenti processi produttivi e per differenti applicazioni. Non è possibile descriverli tutti in poche righe.

Un successo particolare lo ebbero i MOSFET. Realizzati per la prima volta nel 1959, furono in grado di unire prestazioni compatibili con una vasta gamma di applicazioni ad un processo di fabbricazione “semplice”, più economico rispetto a molti altri e molto adatto alla miniaturizzazione. Stiamo parlando della tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) e del processo planare, ossia un metodo di produzione di dispositivi e circuiti integrati basato su un approccio 2D, partendo da una superficie di Silicio più sottile di mezzo millimetro (il wafer) ed attraverso la deposizione sequenziale di strati materiali. Metalli, ossidi e semiconduttori, appunto. E’ più complicato di così, ma se vi interessa qui trovate abbastanza per iniziare.

Per comprendere l’importanza di questi dispositivi è necessario avere un’idea, anche solo vaga, del loro principio di funzionamento.

Se oggi prendeste un chip per osservarlo al microscopio, vedreste che i transistor (potreste trovarne miliardi) sono dispositivi con tre punti di contatto o porte.  I primi due, il Drain ed il Source,  sono posti alle estremità di un canale pensato per permettere lo scorrimento di elettroni.  Corrente elettrica, anche molto piccola. Con opportuni segnali elettrici imposti alla terza porta, cioè il Gate, è possibile regolare o interromperne il flusso.

Se pensassimo ad un circuito elettronico come una rete idraulica potremmo vedere i transistor come valvole, ma possono funzionare anche come amplificatori ed in generale  permettono di  manipolare segnali elettrici.

Più precisamente, consentono di  manipolare  flussi di elettroni  per compiere operazioni matematiche, elaborare e trasmettere informazione. Più complesse e numerose sono le operazioni, più transistor sono necessari.

Moore, nel 1965, intendeva dire che l’evoluzione tecnologica avrebbe permesso di raddoppiare la complessità delle operazioni che si sarebbero potute sintetizzare su un singolo microchip e fino al 1975 fu esattamente ciò che accadde.

Alla fine degli anni ’80 il ritmo aveva già osservato un lieve rallentamento, ma ciò non impedì alla considerazione di Moore di essere elevarsi a “Legge”, e fu riformulata così :

“The number of transistors per square inch doubles approximately every 18 months.” 

Parafrasi e interpretazione:

“ Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, a pari dimensioni di chip, raddoppiano ogni 18 mesi.”

La legge, più specifica, si riferisce  ai processori, una particolare categoria di microchip dedicata al calcolo nel sistema binario e che proprio in quegli anni iniziava a farsi spazio nel mercato dell’elettronica di consumo.

Dal ’75 in poi, ogni 18 mesi circa, la potenza di calcolo raddoppia. La legge si conferma e si apre l’era dell’elettronica digitale. L’industria del Silicio è in grado di fabbricare microchip con crescente densità di strutture, si inizia a parlare di tecnologie a larghissima scala di integrazione (VLSI , Very Large Scale of Integration). La “Lunghezza minima” dei processi di produzione, cioè la minima dimensione di dispositivo o struttura realizzabile (spesso legata alla minima lunghezza del transistor stesso), si riduce progressivamente. È lo scaling, e di anno in anno si producono circuiti meno estesi di un capello, di un batterio, di un virus e persino di un complesso proteico.

La minore dimensione dei transistor non soltanto implica più funzioni allo stesso tempo, ma anche minore consumo di energia e soprattutto maggiore velocità a pari operazioni. Il tempo di completamento di una singola operazione logica elementare è infatti legato al tempo impiegato da un singolo elettrone ad attraversare il più piccolo transistor. Minore è la lunghezza, cioè la distanza da percorrere,  minore è il tempo impiegato dagli elettroni a compiere  spostamenti significativi dal punto di vista logico. Tutto si fa più piccolo, più leggero, più veloce.

I prodotti commerciali seguono un’evoluzione analoga. Elettrodomestici che prima erano realizzati assemblando ingombranti schede chiuse in contenitori in puro stile cubista si rimpiccioliscono.  Grovigli di fili e componenti elettronici sono sempre più spesso sostituiti da pochi millimetri quadrati di Silicio. La Silicon Valley si popola di nuove aziende che sviluppano potenziali applicazioni elettroniche, maturano i servizi informatici ed i computer diventano beni di consumo.  Il resto d’America e l’Europa (Italia compresa) inseguono: Texas Instruments, IBM, Philips, Bosch, Siemens, SGS, Olivetti, Thomson e molte altre compagnie giocano la loro partita nei nuovi mercati aperti dalla tecnologia del silicio. E’ una rivoluzione.

Negli anni Novanta nasce il World Wide Web. Esplode la telefonia cellulare, Nokia ed Ericsson fanno in tempo a crescere e decadere, Microsoft si impone nel mercato dei Personal Computer. Nei Duemila torna Apple,  iPhone cristallizza il concetto di smartphone e prodotti analoghi invadono il mercato delle telecomunicazioni. I nuovi standard 2G, il 3G, il 4G stabiliscono la quantità e la qualità delle nostre comunicazioni, talvolta delle relazioni. Il mondo occidentale cambia, scala.

Tutto questo oggi è evidente, ma Moore lo sapeva, o almeno lo aveva immaginato, prima di qualsiasi regista o scrittore di fantascienza. Ciò che è ancora più interessante sapere  è che, come lui stesso si aspettava, da qualche tempo la sua legge sta quasi completamente perdendo  la sua validità.

Gli sforzi profusi negli ultimi anni da multinazionali e fonderie di Silicio (le Fabs) per l’ulteriore riduzione delle dimensioni dei transistor ed ottimizzare i processi produttivi non hanno impedito l’impennata dei costi di sviluppo e  fabbricazione nelle tecnologie più scalate. Le implementazioni al di sotto dei 22 nm oggi sono sostenibili da sempre meno compagnie, ed in prospettiva, la qualità dei circuiti realizzabili con questi processi è tenuta a livelli adeguati solo grazie a grandi sforzi di ricerca.

Morale: non sembra essere possibile proseguire a lungo in direzione dello “scaling”. Di certo non ogni 18 mesi, ed il rallentamento del ritmo di crescita delle prestazioni dei supercomputer, ad esempio, ne è un sintomo.

More Moore, ma a quanto pare, più Moore di così si muore e nel 2020 lo scaling potrebbe diventare già un ricordo.

Allora cosa fare?  Si tratta di capire dove svoltare.

Naturalmente c’è chi ci sta già pensando.

Se è vero infatti che I mercati dell’informatica, della telefonia e delle telecomunicazioni, che per decenni hanno cavalcato l’onda dello scaling, sono ormai saturi ed è difficile inventarsi nuovi prodotti e nuovi bisogni, è anche vero che nelle mani delle grandi industrie dei semiconduttori c’è una tecnologia matura, dalle prestazioni sorprendenti e in grado di invadere vasti settori ancora poco contaminati. La sanità, i trasporti e l’edilizia, ad esempio, sono stati poco interessati dalla rivoluzione elettronica soltanto perché c’era così tanto da fare (e trovare) nella competizione per l’informatica e le telecomunicazioni che si potevano anche “ignorare”.

I grandi player se ne sono accorti e si stanno guardando in giro. Internet of Things, automotive, bioelettronica, smart cities.  Sono solo alcune delle ipotesi che da qualche tempo sono state seriamente prese in considerazione dai maggiori player e saranno determinanti nei prossimi anni. In questo spazio, su Gli Stati Generali, la finestra sarà aperta su questo mondo.

Si  scriverà quindi di innovazione e lo si farà con particolare attenzione alle dinamiche della ricerca e dell’industria elettronica. Perché di questo si occupa l’autore e perché sarà ancora l’epicentro del cambiamento. Lo si farà senza rinunciare alla descrizione di dettagli, ma allo stesso tempo senza cedere, quando non è strettamente necessario farlo, al linguaggio tecnico. L’obiettivo non è descrivere per insegnare, ma per interessare.  Tenere l’obiettivo su un regno di confine tra le scienze pure e il display del vostro smartphone. Un terreno nel quale si sta già giocando una partita importantissima ed il cui esito determinerà l’evoluzione tecnologica della società.

I prodotti tecnologici destinati a plasmare le nostre abitudini sono e saranno frutto di investimenti, di soluzioni tecniche, scoperte, invenzioni o sperimentazioni che cambieranno le prospettive di sviluppo.

In gergo, si chiamano break-through e qui saranno protagonisti.

”You can’t learn a science unless you know what’s all about.”

More than Moore. Stay tuned. #mtM