Progettare un circuito migliore
Che cosa hanno in comune smartphone, laptop, dispositivi medici diagnostici e le unità di controllo nelle vostre automobili? Essi sono tutti basati su semiconduttori che utilizzano le progettazioni più innovative e i processi di fabbricazione più recenti. Più nello specifico, la maggior parte di questi oggetti viene prodotta con nuovi materiali e strutture su scala nanometrica. Tuttavia, nonostante i molti vantaggi che tali strutture su piccola scala presentano, esse sono anche soggette a numerosi problemi, come ad esempio il surriscaldamento dei circuiti integrati e le interferenze del segnale. Il progetto NANOCOPS, finanziato dall’UE, mirava ad arrestare questi problemi prima ancora che avessero la possibilità di manifestarsi nel vostro nuovo dispositivo. Per fare questo, il progetto ha sviluppato algoritmi e strumenti software capaci di quantificare questi effetti indesiderati e fornire delle convalide affidabili delle nuove progettazioni nanoelettroniche. Una cassetta degli attrezzi per le simulazioni Uno degli obiettivi centrali del progetto era quello di creare una progettazione sensata ed efficiente del circuito in grado di ospitare sempre più dispositivi su una superficie di supporto sempre più piccola, consentendo in tal modo di trasmettere più informazioni senza interferenze. “Il problema di fondo è che abbiamo esaurito i limiti fisici della superficie di supporto, forzando singoli circuiti e componenti sempre più vicino gli uni agli altri, portando a un maggiore rischio del cosiddetto effetto di crosstalk, o diafonia, che porta a un’indesiderata interazione elettromagnetica tra singoli componenti,” afferma un ricercatore del progetto, il dott. E. Jan W. ter Maten. “Questo problema non può essere più ignorato, in particolare visto che continuiamo a sviluppare dei microchip sempre più potenti.” La serie di strumenti sviluppati nell’ambito del progetto NANOCOPS è stata creata specificamente per testare questi limiti fisici. Ad esempio, sono stati creati modelli e simulazioni solo per vedere fino a che punto è possibile ridurre un’area aumentando simultaneamente il numero di componenti prima di incontrare delle interazioni avverse. Un’altra linea di ricerca ha usato una combinazione di simulazione di campo elettromagnetico e simulazione termica direttamente integrate nella simulazione del microchip, consentendo ai ricercatori di identificare i componenti del circuito più delicati e soggetti a interferenze durante la fase di sviluppo. “Ciò che abbiamo scoperto è che i problemi sorgono quando le interazioni elettriche e termiche influiscono sul componente, producendo un impatto su sforzo del materiale e durata dei transistor,” dice ter Maten. “Di conseguenza è importante valutare correttamente la generazione di calore per essere in grado di sviluppare dei transistor più efficienti e duraturi.” Previsioni più affidabili per migliori progettazioni Il progetto NANOCOPS ha portato a diversi sviluppi all’avanguardia nella progettazione nanoelettronica. Ad esempio, tradizionalmente erano necessarie due operazioni separate per simulare la dipendenza tra alte temperature e livelli estremi di energia nei circuiti. I ricercatori di NANOCOPS, tuttavia, hanno combinato con successo per la prima volta queste due fasi, rendendo più veloce la simulazione e fornendo dei risultati notevolmente migliori. Nel settore della simulazione del campo elettromagnetico, lo strumento di NANOCOPS può simulare non solo singoli componenti in 3D, ma anche i circuiti stessi, permettendo di simulare tutti i tipi di interferenze e fornendo un’individuazione molto più veloce degli errori. Per ridurre al minimo l’interferenza del segnale negli smartphone e negli stimolatori cardiaci, ad esempio, è necessaria una simulazione efficiente di vari segnali ad alta frequenza con frequenze molto diverse. Qui interagiscono circuiti elettronici, campi elettromagnetici e sviluppo del calore, e questi fattori, in aggiunta all’invecchiamento dei dispositivi stessi, causano dei cambiamenti che precedentemente non potevano essere previsti. “NANOCOPS e i vari strumenti di simulazione che il progetto ha sviluppato hanno cambiato tutto questo,” conclude ter Maten. “I costruttori possono ora basare la progettazione dei loro circuiti integrati su delle previsioni attendibili, migliorando quindi la loro operabilità, efficienza e durata.”
Parole chiave
NANOCOPS, progettazione nanoelettronica, circuiti, circuiti integrati, smartphone, pacemaker
