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Chip senza transistor, il futuro è delle valvole termoioniche

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Chip senza transistor, il futuro è delle valvole termoioniche FASTWEB S.p.A.
Valvole termoioniche
Internet
Ingegneri dell'Università di San Diego hanno teorizzato e realizzato un nuovo chip senza transistor rispolverando le vecchie valvole termoioniche

Sembrerà strano, ma il futuro dell'informatica e dei dispositivi elettronici potrebbe dipendere dalle vecchie valvole termoioniche. Costretti a fare i conti con i limiti della Legge di Moore, scienziati di varie università e istituti di ricerca in tutto il mondo studiano valide alternative all'attuale architettura dei chip, alle tecnologie produttive e ai materiali semiconduttori. Uno dei progetti più promettenti e interessanti volge lo sguardo al passato e prevede l'utilizzo, come già accennato, delle valvole termoioniche (o tubi a vuoto).

 

Valvole termoioniche

 

Degli studiosi della University of California di San Diego hanno realizzato un prototipo di chip in grado di funzionare senza transistor né microcircuiti, ma sfruttando il vuoto pneumatico che si crea all'interno delle valvole termoioniche. Un vero e proprio ritorno al passato, se si pensa che i tubi a vuoto erano il cuore pulsante dei calcolatori elettronici dei primi Anni '50 del secolo scorso, di fatto gli antenati dei computer che utilizziamo quotidianamente sia per lavoro sia per giocare e svagarci.

I limiti dei semiconduttori

Dagli Anni '40 del secolo scorso a oggi, gli sviluppi fatti registrare nel settore dei transistor e dei semiconduttori sono a dir poco eccezionali. È grazie ai materiali semiconduttori, infatti, che è stato possibile realizzare dei chip – presenti all'interno di processori, RAM e schede video – con miliardi di transistor all'interno e dalla potenza di calcolo sempre maggiore. Come detto, però, la tecnologia produttiva attualmente utilizzata per realizzare chip e transistor sta per raggiungere il suo limite fisico, mettendo così in dubbio la "sopravvivenza" della Legge di Moore.

 

Chip semiconduttori

 

La velocità degli elettroni, infatti, è limitata dalla resistenza dei materiali semiconduttori e dalle dimensioni infinitesimali dei transistor che si trovano all'interno dei chip. I produttori sono dunque costretti a fornire maggior potenza al circuito affinché gli elettroni siano in grado di superare il band gap (o energia di gap) che sta alla base del funzionamento dei transistor stessi. Questo, però, porta ad aumentare le temperature di "esercizio" (vedi effetto Joule), con tutti i problemi di surriscaldamento e conseguente necessità di dissipazione del calore che affliggono oggi computer, smartphone e altri dispositivi elettronici.

Elettroni liberi

Problemi inesistenti per le valvole termoioniche, all'interno delle quali gli elettroni possono fluire liberamente non essendo soggetti a nessuna resistenza fisica. Simili per forma e funzionamento alle vecchie lampadine a incandescenza, le valvole termoioniche sfruttano il principio dell'emissione termoionica: alcuni metalli, se portati ad alte temperature (tra i 1.000 e i 3.000 gradi centigradi) emettono degli elettroni, liberi di fluire all'interno della valvola. Il catodo – il filamento di metallo che si surriscalda – ha una polarizzazione inversa rispetto a quella dell'anodo (un secondo elemento metallico posto sopra il catodo), in tal modo si formerà tra i due elementi un flusso di elettroni capaci di muoversi tra le due estremità del circuito senza alcun cavo che le colleghi. Nel transistor, invece, la corrente fluisce attraverso delle componenti in materiali semiconduttori come silicio o germanio: il flusso, dunque, è regolato (e limitato) da fenomeni fisici come la resistenza e il già citato band gap.

Ciò consente di realizzare delle unità di calcolo ed elaborazione – come le CPU o le GPU, per l'appunto – in grado di funzionare senza essere soggetti a tipici problemi di surriscaldamento generati dall'effetto Joule.

 

Valvola termoionica con componenti "a funghi"

 

La soluzione dell'UC San Diego

L'unico problema, attualmente e apparentemente invalicabile, era la gestione dei flussi di elettroni su scala nanoscopica. Per "imbrigliare" gli elettroni, infatti, è necessario che le valvole siano alimentate da corrente ad alto voltaggio (almeno 100 volt), che operino ad altissime temperature, oppure che siano "gestite" attraverso laser ad alta efficienza. I ricercatori dell'UC di San Diego hanno trovato una possibile soluzione realizzando delle microstrutture composte da "funghi" dorati circondati da filamenti, anch'essi ricoperti da un sottile strato d'oro, in grado di controllare il fluire degli elettroni.

 

 

Per far ciò gli scienziati statunitensi hanno utilizzato correnti a basso voltaggio (circa 10 volt) e laser a bassa potenza. Una combinazione che consente di incrementare la conduttività del sistema del 1000% e di trasformare delle valvole termoioniche in autentici transistor digitali.

Dispositivi di questo genere, sostengono i ricercatori dell'UC San Diego, possono essere utilizzati non solo all'interno di dispositivi informatici di nuova concezione, ma anche per incrementare la capacità di accumulo e conversione in energia di pannelli fotovoltaici e, addirittura, nella realizzazione di potenti armi laser (la ricerca, va sottolineato, è finanziata dalla DARPA, l'agenzia di ricerca scientifica dell'esercito statunitense).

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