Info utili

Da sapere

Abbiamo pensato che queste informazioni ti possano essere utili per la lettura dell’articolo.

• Processore o CPU. Elemento presente nella maggior parte dei dispositivi elettronici complessi quali i telefoni e i PC.
• Transistor. Elemento elettronico capace di controllare il passaggio di corrente.
• nM o nanometro. Sottomultiplo del metro: 1nM è equivalente a un miliardesimo del metro.
• Clock. Ciclo di operazione la cui unità di misura è l’hz (Hertz). I moderni microprocessori hanno velocità di clock di diversi MHZ.

I processori sono alla base di qualsiasi apparecchiatura elettronica mediamente complessa. Telefoni, computer, televisori e perfino il frigorifero possiedono uno o più processori che gestiscono ogni aspetto del loro funzionamento. Nell’ambito dell’informatica gestiscono i (complessi) calcoli che permettono di navigare sul web o giocare. Dal punto di vista della classificazione i processori si distinguono, principalmente, per la frequenza operativa di funzionamento (espressa in GHz, cioè miliardi di cicli di clock per secondo) sia per capacità di calcolo (espresso in FLOPS, cioè operazioni in virgola mobile per secondo).

In realtà questi due parametri, che in effetti descrivono la capacità di calcolo di un microprocessore, sono strettamente correlati a un terzo valore che descrive lo spessore del chip. Questo valore è espresso in nanometri che rappresentano un miliardesimo del metro.

Le ragioni per le quali si cerca di costruire processori sempre più miniaturizzati sono diverse e riguardano la maggiore capacità di calcolo a fronte di un minore consumo energetico.

Funzionamento di un processore

L’elemento alla base dei processori è il transistor. Esistono diversi tipi di transistor ma, da diversi decenni, nelle CPU sono utilizzati i transistor MOSFET (semiconduttore metallo-ossido-transistor a effetto campo). Questo tipo di transistor funziona come un interruttore nel quale la corrente può passare da un punto all’altro del transistor soltanto se è presente un campo elettrico. Il funzionamento fisico dei transistor è molto complesso ma può essere riassunto utilizzando degli esempi a blocchi. In un transistor MOSFET esistono tre porte: gate, source e gain. La tensione applicata al gate permette il passaggio di una tensione tra il source e il gain poiché, in delle zone specifiche del transistor, si genera un campo elettrico capace di influenzare il silicio che costituisce il semiconduttore del transistor.

Numero di transistor e dimensione del wafer

Con la miniaturizzazione del wafer di silicio è possibile inserire più transistor nella stessa unità di superficie. Quindi, se vogliamo aumentare il numero di transistor, dobbiamo ridurne le dimensioni. La possibilità di aumentare il numero di transistor in un processore ha portato ad un aumento significativo della potenza di elaborazione.

I primi microprocessori MOSFET ed erano piuttosto grandi. Ma con il passare del tempo e il miglioramento della tecnologia, le dimensioni dei transistor sono diminuite e così anche il loro costo. Ciò ha consentito di inserire più transistor in un singolo chip o wafer di silicio, aumentando la potenza di elaborazione dei processori.

A titolo d’esempio, il primo microprocessore mosfet commerciale fu il famoso Intel 4004 e contava soltanto 2250 transistor, con uno spessore del wafer di 10.000 nanometri. I recenti processori sono sviluppati con tecnologia a 7 nanometri e contano svariate decine di miliardi di transistor.

Frequenze operativo, voltaggio e calore.

La riduzione della dimensione del processore ha un altro vantaggio: permette di aumentare le frequenze e contenere la formazione di calore. Questo avviene perché un transistor più piccolo ha minore necessità di energia e, di conseguenza, porta a una minore dissipazione di energia sotto forma di calore.

Il calore viene generato dalla CPU quando la corrente scorre attraverso il transistor, che commuta tra gli stati di accensione e spegnimento dei transistor. Più corrente scorre attraverso il transistor, più calore viene generato. Esiste una soglia critica oltre la quale il processore diventa instabile.

I limiti tecnologici della miniaturizzazione

La miniaturizzazione dei transistor è una sfida tecnologica. Il costo dei wafer di silicio è aumentato di oltre il 300% nell’ultimo decennio. Questo perché ci vuole più tecnologia per produrre questi transistor più piccoli, il che significa che c’è una maggiore possibilità che si verifichino difetti. Questo porta a sprechi e costi di produzione più elevati. Inoltre, il limite fisico oltre il quale è impossibile costruire i microprocessori è stato quasi raggiunto. I reparti di ricerca e sviluppo dei produttori di CPU devono, costantemente, ricevere fondi per progredire nelle ricerche utili a trovare nuovi materiali con i quali costruire i processori e anche nuovi macchinari per fabbricarli. Il livello di precisione richiesto è praticamente su scala atomica e questo comporta investimenti cospicui che ricadono sul costo finale.