Articoli di approfondimento - Microchip per l'era dell'informazione mobile
L'anno scorso le vendite degli smartphone hanno superato per la prima volta quelle dei computer portatili, il che indica che siamo già in una nuova fase dell'era dell'informazione. Possiamo chiamarla l'era dell'informazione mobile! Durante la fase iniziale dell'era di internet, i personal computer fissi e più tardi i computer portatili erano collegati tra di loro e a fonti di informazioni attraverso linee telefoniche fisse dentro gli edifici. In questa prima fase dell'era dell'informazione, alcune persone si collegavano a internet abbastanza spesso, molti solo occasionalmente e la maggior parte quasi mai. Questo è cambiato velocemente con lo sviluppo delle comunicazioni senza fili che hanno portato in definitiva agli smartphone che sono sempre connessi. Tutto ciò è possibile grazie a potenti dispositivi elettronici più leggeri e più compatti, ma che funzionano più velocemente e meglio. I dispositivi e i servizi emergenti richiederanno però una nuova generazione di microchip più piccoli e a bassa energia, che offrano quantità di dati maggiori, e l'Unione Europea sta investendo molto in tecnologie all'avanguardia per assicurare che il continente mantenga il suo ruolo di spicco nella società dell'informazione. Il progetto "Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic" (Duallogic) è un esempio di questo impegno paneuropeo. "Volevamo migliorare le prestazioni dei dispositivi del futuro in modo che funzionassero con un voltaggio di energia più basso, così da ottenere migliori prestazioni con meno energia. Questo è necessario per il tipo di applicazioni multimediali che girano su piccoli dispositivi palmari alimentati da batterie limitate," dice Athanasios Dimoulas, coordinatore del progetto Duallogic, che ha ricevuto un finanziamento dell'UE di 5,8 milioni di euro, del suo bilancio totale di 9,3 milioni di euro. Migliori prestazioni e funzionamento a basso consumo energetico erano i due obiettivi dell'ambizioso progetto STREP del Settimo programma quadro . Dopo 40 anni di miniaturizzazione continua, è diventato sempre più difficile migliorare le prestazioni dei microchip. Gli scienziati, gli ingegneri e i designer di Duallogic hanno pertanto dovuto ricorrere alla creatività. Hanno mantenuto il silicio come substrato ma sono andati oltre il silicio verso materiali semiconduttori meno comuni per creare il canale di conduzione dentro i milioni di transistor che formano un microchip. Sfruttando le proprietà uniche di una serie di materiali semiconduttori, il team di Duallogic sperava di spingere il rendimento dei circuiti dei microchip oltre i limiti intrinseci del silicio, preparando il terreno per circuiti più efficienti e scale più piccole. "È ampiamente riconosciuto che un circuito integrato - il "cervello" di tutti i sistemi elettronici - è fatto di silicio. Anche se questo materiale si trova in abbondanza in natura ed è facile da lavorare, non permette agli elettroni di attraversarlo con la velocità che desideriamo, in particolare in applicazioni a basso voltaggio," osserva il dott. Dimoulas. "Nel progetto Duallogic volevamo sostituire i canali di silicio dei transistor con semiconduttori a più alta mobilità, come il germanio e i semiconduttori composti, per fare in modo che i conduttori di carica - elettroni e buchi - si muovessero più velocemente attraverso il transistor." È stato molto difficile perché il team ha lavorato su fette di silicio su larga scala usando tecniche in scala industriale. È per questo che di Duallogic hanno fatto parte così tanti degli istituti principali del continente e degli operatori industriali, come imec e la Katholieke Universiteit Leuven in Belgio, AIXTRON in Germania, CEA-LETI e STMicroelectronics in Francia, NCSR DEMOKRITOS in Grecia, l'Università di Glasgow nel Regno Unito e l'IBM-Zurich in Svizzera. Il doppio della logica Il progetto è stato chiamato Duallogic perché ha usato diversi materiali di canale per ognuno dei due transistor che si trovano sui microchip, il tipo p positivo e il tipo n negativo. Il team ha scelto il Germanio (Ge) e il Silicio-Germanio (SiGe) per i transistor di tipo p e l'Indio-Gallio-Arsenide (InGaAs), un composto semiconduttore, come candidato promettente per il transistor di tipo n. I materiali sono stati scelti perché offrono un'alta mobilità per i portatori di carica in ogni tipo di transistor. Il composto InGaAs è conosciuto come semiconduttore III-V, chiamato così perché è composto da elementi della terza e della quinta colonna della tavola periodica. Questi composti offrono una mobilità molto più alta, una misura di quanto facilmente i portatori di carica possono muoversi dentro il reticolo del semiconduttore. Una maggiore mobilità porta in definitiva a prestazioni migliori. Allo stesso modo, il germanio offre una più alta mobilità per i transistor di tipo p. "Questo metodo è in alto tra le priorità di molti laboratori di ricerca e sviluppo tecnologico (RST) e di integrazione tecnologica di tutto il mondo," osserva il dott. Dimoulas. Si è rivelato un percorso di ricerca molto riuscito anche per il consorzio Duallogic. "Siamo riusciti a integrare i transistor di tipo p in Silicio-Germanio e abbiamo ottenuto risultati all'avanguardia superiori alle aspettative," conferma il dott. Dimoulas. I risultati per i transistor di tipo n sono stati più eterogenei, ma comunque molto positivi. Il team ha creato un transistor in InGaAs e ha trovato anche un modo di montarli su un substrato di silicio in modo da mantenere basso il costo di fabbricazione. È stato un risultato importantissimo, perché ci sono notevoli problemi di integrazione e architettura nella costruzione di un transistor III-V su un substrato di silicio. L'integrazione per il transistor di tipo p è stata molto più semplice, spiega il coordinatore del progetto. "Poiché il Germanio e il Silicio sono entrambi nel gruppo IV della tavola periodica, la loro struttura è simile e sono chimicamente compatibili, quindi il Germanio può essere lavorato più o meno allo stesso modo del Silicio." L'InGaAs è però meno compatibile con il Silicio è ha una maggiore differenza di reticolo che crea problemi di fabbricazione. La co-integrazione di entrambi i tipi di transistor è ancora più difficile, aggiunge, ma il team ha sviluppato un nuovo strumento di fabbricazione per gestire il problema dei crescenti strati di III-V su un grande substrato di silicio. Il dott. Dimoulas suggerisce che è necessario continuare la ricerca sul transistor di tipo n sviluppato nell'ambito del progetto. Inoltre, Duallogic ha raggiunto risultati notevoli per uno specifico tipo di architettura dei transistor chiamata transistor a pozzo quantico senza impianto, che potrebbe portare a microchip con prestazioni ancora migliori dei tradizionali transistor "metallo-ossido-semiconduttore" (MOS). Protagonisti industriali "Siamo molto fortunati ad avere imec e CEA-LETI nel nostro consorzio perché, attraverso di loro, abbiamo potuto accedere a molti operatori industriali nel settore dei semiconduttori," osserva il dott. Dimoulas. Il consorzio spera inoltre di continuare la ricerca, idealmente in un progetto più ampio con più partner, perché i risultati, anche se all'avanguardia, non hanno ancora raggiunto il livello al quale possono essere adottati dall'industria. "Vogliamo anche sviluppare circuiti semplici, come oscillatori ad anello o invertitori, quindi stiamo attualmente esaminando appropriati strumenti di RST per continuare a lavorare," dice il dott. Dimoulas. Il lavoro di Duallogic ha conseguenze anche per il progresso delle opzioni tecnologiche proposte per la valutazione dall'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), che definisce il futuro asse di ricerca strategica per ottenere un'ulteriore miniaturizzazione. "Con l'aiuto di esponenti del mondo accademico e di sviluppatori di processi, il progetto ha esplorato opzioni tecnologiche avanzate e rischiose," osserva il dott. Dimoulas. Questo aiuta l'industria a identificare potenziali soluzioni migliori per i propri prodotti, suggerisce, risparmiando tempo e denaro e permettendo loro di concentrarsi sulle proprie esigenze di produzione e di prodotti più a breve termine. "La collaborazione di IDM (integrated device manufacturers - produttori di dispositivi integrati) con rivenditori di attrezzature nello stesso progetto è un'eccellente opportunità per il settore della nanoelettronica per prendere decisioni rapide sugli investimenti in attrezzature necessari per il futuro volume di produzione," conclude. Il progetto Duallogic ha ricevuto finanziamenti alla ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro (7˚ PQ) dell'UE, sub-programma "Next generation nanoelectronics components and electronics integration". Link utili: - Progetto "Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic" - Record dei dati del progetto Duallogic su CORDIS - Nanoelectronics Research on CORDIS Articoli correlati: - Piccoli e minuscoli: progetti UE riducono le dimensioni dei chip semiconduttori - Progetto del 6PQ per mantenere l'UE all'avanguardia nel campo della nanoelettronica - 45-nanometre chips for ultra-fast WiFi - Copper's not coping: new chips call on light speed