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28 novembre 2017

Microchip come metropoli

Circuiti sviluppati in altezza ed espandibili. Dall’orologio progettato da Apple all’ultima fotocamera di Sony, la frontiera dell’hardware passa da qui

Gustavo Pigafetta

 ► Dal numero di pagina99 del 24 novembre in edizione digitale

Non ce ne accorgiamo, ma nei device che utilizziamo tutti i giorni è in atto una trasformazione epocale. I microchip stanno lievitando. Letteralmente: i circuiti, un tempo piatti e sottili, stanno diventando tridimensionali e sempre più complessi. I chip designer, che un tempo ragionavano solo in termini di lunghezza e larghezza, hanno iniziato a lavorare sulla profondità, impilando i circuiti uno sull’altro, come monetine. Il vantaggio? Un effetto moltiplicatore in termini di prestazioni e capacità, e una forte riduzione dei consumi energetici…

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Senza questa tecnologia, device come Apple Watch non potrebbero funzionare. Lo stesso vale per la memoria a stato solido di Samsung, i sistemi di intelligenza artificiale di Nvidia e Google o l’ultima fotocamera superveloce di Sony. Per comprendere come funzionano i nuovi circuiti in 3D bisogna pensare alla pianificazione di una metropoli. Con il vecchio tipo di tecnologia avremmo un sistema simile a una città espansa, con microchip che si estendono oltre i confini del circuito originario, sempre più distanti l’uno dall’altro. L’impilamento verticale permette invece di mantenere molto vicini i diversi componenti, come in una città fatta di grattacieli.

Il vantaggio è legato alla fisica: quando gli elettroni devono percorrere ampie distanze lungo i fili di rame richiedono più energia, producono calore e riducono la larghezza di banda. I chip impilati sono più efficienti, funzionano meglio e comunicano alla velocità della luce, tramite interconnessioni più brevi. Se i principi sono di facile comprensione, la loro resa è stata complicata. Proposta negli anni Sessanta, la nuova tecnologia è stata utilizzata sporadicamente, per applicazioni di fascia elevata, come quelle militari.

I chip offerti oggi dalla maggior parte dei produttori – Amd, Intel, Nvidia, Apple, Samsung e società più piccole, come Xilinx – esistono da appena cinque anni, spiega al Wall Street Journal Sinjin Dixon-Warren, analista della società TechInsights. A determinare l’adozione del nuovo standard è stato il bisogno di spremere oltre i limiti i microchip in uso.

A differenza di quanto avviene di solito nella telefonia mobile, dove tutti i componenti dello smartphone sono incisi su un singolo pezzo di silicio, i chip impilati vengono utilizzati secondo una logica a pacchetto: fanno parte di un set di altri chip – realizzati con processi diversi e destinati a funzioni specifiche – che poi vengono incollati tutti assieme. Come nell’Apple Watch, in cui 30 diversi chip sono impilati su due livelli e inglobati in un involucro ermetico, con la memoria sovrapposta al circuito logico. Per realizzare la memoria flash V-Nand – usata per la memorizzazione dati su telefoni, fotocamere e laptop – Samsung ha costruito una sorta di grattacielo di silicio: 64 strati di chip (la nuova versione ne avrà 96).

L’impilamento ha infatti permesso di risolvere un problema che ha afflitto a lungo i progettisti: l’aggiunta di memoria agli iPhone e ai supercomputer non si traduceva in un aumento della velocità proprio per i ritardi di comunicazione tra i vecchi circuiti logici e la memoria. È sovrapponendo otto strati di memoria sulla Gpu (l’unità di elaborazione grafica) che i nuovi processori Volta per l’intelligenza artificiale di Nvidia sono riusciti a battere ogni record di efficienza di elaborazione. Allo stesso modo, il prototipo di fotocamera da poco messo a punto da Sony, impilando insieme, in tre strati, sensore di immagine, memoria e circuito logico, ha ottenuto risultati impensabili: fino a mille fotogrammi al secondo, che significano una migliore visibilità in condizioni di scarsa illuminazione e la possibilità di immortalare in un solo fotogramma oggetti in rapido movimento.

La tecnologia ha ampi margini di miglioramento, ma la sua diffusione è stata ostacolata da una serie di difficoltà, anche economiche. Gli strumenti per disegnare i chip in 3-D restano appannaggio delle aziende che possono permettersi i migliori progettisti. Il funzionamento dei processori deve inoltre ancora essere compreso appieno, pena rendimenti inferiori. Eppure, ribadiscono gli esperti, il futuro passa da questa tecnologia, non a caso impiegata anche nell’iPhone X.

[Foto in apertura di Tyrone Siu / Reuters / Contrasto]

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