Più memoria. Come e perché la tecnologia espande continuamente il limite

Figura 3 - Crescita delle dimensioni di wafer di silicio negli ultimi 40 anni. Nella serie sono introdotti un compact disc ed una pizza per confronto.
Figura 3 - Crescita delle dimensioni di wafer di silicio negli ultimi 40 anni. Nella serie sono introdotti un compact disc ed una pizza per confronto.

di Umberto M. Meotto
Editor: Giuseppe Cardillo
Revisori Esperti: Agostino Pirovano, Denis Perrone
Revisori Naive: Nicola Ganci, Catia Cialani
Contenuti grafici creati da Umberto M. Meotto

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Invenzioni dirompenti, cambi di paradigma e profezie che si auto-avverano. L’innovazione nel campo della microelettronica, oggi uno dei settori più dinamici e all’avanguardia, continua da più di quarant’anni la sua inarrestabile corsa verso il futuro, sfruttando, ora più che mai, approcci non convenzionali, che permettono di superare ostacoli e limitazioni ritenuti altrimenti insormontabili.

Nel 1969, durante la discesa verso il Mare della Tranquillità, gli astronauti della missione Apollo 11 potevano contare, per il calcolo della rotta e per il corretto funzionamento del Modulo Lunare, su uno dei primi computer realizzati con circuiti logici integrati. L’AGC (Apollo Guidance Computer) era infatti composto da circa 17.000 transistori, raggruppati in 2800 chip, che potevano accedere a due memorie a nucleo magnetico: una RAM da 32kbit ed una ROM da 576kbit nella quale erano immagazzinati i programmi. Pesava circa 32kg, era grande quanto un trolley di medie dimensioni e consumava 70W, come una lampadina ad incandescenza. La sua frequenza di calcolo era di appena 2MHz [footnote number=”1″ ]NASA, Computers in Spaceflight: The NASA Experience, Chapter Two: Computers On Board The Apollo Spacecraft, Washington, USA[/footnote].
Se confrontato con l’AGC, un qualsiasi smartphone di oggi, consuma circa un decimo della corrente, è duecento volte più leggero, mille volte più veloce, infinitamente più capiente ed innegabilmente più economico. Questo paragone permette di capire come, nei cinquanta anni che sono intercorsi tra i primi passi del programma spaziale americano ad oggi, molti aspetti delle tecnologie utilizzate in elettronica si siano sviluppati ad un ritmo decisamente più rapido che in altri campi.

Figura 1 - Confronto tra ACG ed un moderno smartphone [own work].

Figura 1 – Confronto tra ACG ed un moderno smartphone.

Il progresso delle prestazioni dei microchip ha infatti seguito un andamento esponenziale, noto anche con il nome di “legge di Moore”. Sebbene non si tratti propriamente di una legge fisica, ma piuttosto di un’osservazione lucida e lungimirante di un uomo d’impresa, questa linea guida è diventata fin da subito il riferimento per tutte le aziende operanti nel settore. Nella sua ultima formulazione, risalente al 1975, il celebre enunciato afferma che “il numero dei transistori incorporati in un chip raddoppia ogni 24 mesi circa” [footnote number=”” ]I. Tuomi, The Lives and Death of Moore’s Law, FirstMonday, 7(11), 04-11-2002[/footnote].
Tale previsione, confermatasi corretta su un arco di tempo di ben quarant’anni, non solo ha posto man mano gli obiettivi alla ricerca, ma ha anche consentito di portare l’elettronica digitale in quasi tutti gli aspetti della vita moderna.
Per comprendere come sia possibile raddoppiare il numero di transistori tra una generazione di dispositivi elettronici e la successiva è necessario introdurre il concetto di “nodo tecnologico”. Quando nel 1971 s’è iniziato a tracciare il piano d’azione (in inglese roadmap) dell’industria dei semiconduttori, la minima dimensione riproducibile con le tecnologie a disposizione era 10 micrometri (10 μm). Il primo processore immesso sul mercato, l’Intel 4004 (progettato dall’italiano Federico Faggin), fu appunto realizzato sulla base di questo nodo tecnologico e conteneva circa 2300 di questi piccoli transistori per ogni chip.

Figura 2 - Le leggi esponenziali che governano il progresso della microelettronica.

Figura 2 – Le leggi esponenziali che governano il progresso della microelettronica.

 

I processori che troveremo in vendita nel 2015 verranno realizzati con una tecnologia a 14 nanometri (14nm), ossia copriranno un’area quasi un milione di volte più ristretta rispetto a quelli degli anni Settanta. Per dare un’idea della scala, il più piccolo batterio scoperto è lungo circa 200nm mentre il diametro del virus responsabile del comune raffreddore (o Rhinovirus, uno dei più piccoli presenti in natura) è di circa 30nm.
Nel frattempo, sempre con l’obiettivo di ridurre i costi ed aumentare i volumi di produzione, i substrati di silicio (i cosiddetti wafer) che vengono utilizzati nelle fabbriche sono passati da 2 pollici a 12 pollici, ovvero da 5 a 30.5 centimetri di diametro, ed è in programma, entro i prossimi 10 anni, un ulteriore balzo a 18 pollici (45cm) [footnote number=”” ]SEMI, Perspectives on 450mm, 08-09-2011[/footnote]. Questo permette di stampare più chip su ogni wafer abbassando di conseguenza il costo del processo per il singolo bit.

Figura 3 - Crescita delle dimensioni di wafer di silicio negli ultimi 40 anni. Nella serie sono introdotti un compact disc ed una pizza per confronto.

Figura 3 – Crescita delle dimensioni di wafer di silicio negli ultimi 40 anni. Nella serie sono introdotti un compact disc ed una pizza per confronto.

Questi sono i principali motivi per cui le ultime generazioni di processori contengono fino anche a due miliardi di transistori per ogni chip e perché le memorie dei computer, dei telefoni e delle macchine fotografiche digitali sono sempre più capienti.
Tuttavia la miniaturizzazione dei componenti integrati non può, com’è intuibile, procedere all’infinito, fondamentalmente perché si stanno raggiungendo i limiti imposti dalle dimensioni degli atomi. Ciò comporterà, nell’arco di pochi anni, la fine -peraltro inevitabile- della Legge di Moore, ed il fiorire, nel campo dello sviluppo tecnologico, di nuove scuole di pensiero note come “more-than-Moore” (in italiano “più-che-Moore”) incentrate sull’unificazione di funzionalità, oggi demandate a diversi dispositivi, all’interno del medesimo chip [footnote number=”” ]International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), More Than Moore White Paper, edited by W. Arden, M. Brillouët, P. Cogez, M. Graef, B. Huizing, R. Mahnkopf [/footnote].
Nonostante ciò la sfida imposta dalla continua riduzione di scala ha spinto la ricerca, soprattutto nei tempi recenti, a dover ricorrere a diversi cambi di paradigma rispetto a quanto si faceva, e si conosceva, in passato. Nuovi materiali e nuove architetture hanno trasformato quella che era la microelettronica di ieri nella nanoelettronica di oggi.
Un esempio lampante di cambio di paradigma legato all’architettura interna dei chip può essere osservato nel caso delle memorie FLASH (quelle presenti nelle chiavette USB, nei cellulari, nelle card per le macchine fotografiche digitali e in molte altre applicazioni, compresi i dischi a stato solido). Esse fanno parte delle memorie “non volatili” poiché mantengono memorizzata l’informazione anche quando il dispositivo che le utilizza non è alimentato .
La storia delle memorie FLASH comincia all’inizio degli anni Ottanta, grazie all’invenzione, per allora straordinaria, del giapponese Fujio Masuoka, ed ottiene subito un successo strepitoso [footnote number=”” ]B. Fulford, Unsung Hero, Forbes, 24-06-2002[/footnote].
Come i processori anche le memorie hanno seguito per molti anni la Legge di Moore, ed il metro di misura del loro progresso è stato in primo luogo la capacità, ovvero il numero di bit d’informazione che si riescono ad immagazzinare per unità di area. Le memorie che si producono oggi sono molto diverse da quelle a bordo dell’Apollo 11, che -per la precisione- non erano realizzate con semiconduttori, ma con piccoli anellini di materiale ferromagnetico opportunamente posizionati in una maglia di sottili fili conduttori. Quelle di oggi, in verità, ricordano più da vicino i transistori dei processori.

Figura 4 - Schema estremamente semplificato del funzionamento delle celle di memoria FLASH.

Figura 4 – Schema estremamente semplificato del funzionamento delle celle di memoria FLASH.

 

Cos’è la cella di memoria FLASH?

Una cella di memoria a semiconduttore è un oggetto realizzato in modo da immagazzinare della carica elettrica, sotto forma di elettroni, in una regione definita. Il paragone più semplice è considerarla come una piccolissima “scatolina” nella quale si possono mettere e togliere un certo numero di palline. A seconda della presenza o assenza di queste palline/elettroni all’interno della scatolina/cella si può determinare uno stato logico: tipicamente 0 o 1. I bit 0 e 1 sono i mattoncini base di qualsiasi tipo di informazione digitale ed il linguaggio in cui sono scritti i dati all’interno dei computer, dei cellulari e di tutti i dispositivi elettronici. Non si può affermarlo con certezza scientifica ma è opinione comune che la cella di memoria FLASH sia il manufatto umano più replicato della storia.

Negli ultimi 15 anni la dimensione delle celle di memoria è scesa da 120nm a 19nm consentendo, ad esempio, alle chiavette USB di poter immagazzinare 100 volte più informazioni che in passato. Ma all’inizio di questa decade è apparso evidente come le celle stessero diventando troppo piccole, e troppo vicine, per poter continuare a funzionare correttamente. Le “scatoline” sono diventate troppo difficili da realizzare e, soprattutto, iniziano a mostrare segni di cedimento. Le palline che vi si mettono dentro, ovvero gli elettroni, sono così poche che le si potrebbero contare, ma quando si fa l’appello esse sono ormai così vicine che qualcuna risponde dalla scatolina sbagliata.
Queste limitazioni sembravano aver sbarrato definitivamente la strada alla legge di Moore, e di conseguenza alla legge del mercato, che reclamava capacità sempre crescenti a prezzi via via più moderati. Ma, come si vedrà nelle prossime righe, l’inventiva umana ha permesso di infrangere questo nuovo ostacolo.

Figura 5 - Il cambio di paradigma da 2D a 3D pu? essere facilmente visualizzato tramite questa metafora: laddove prima si costruivano piccole casette ad un piano solo, oggi s'innalzano grandi grattacieli. La densit? di abitanti (bit) cresce esponenzialmente.

Figura 5 – Il cambio di paradigma da 2D a 3D pu? essere facilmente visualizzato tramite questa metafora: laddove prima si costruivano piccole casette ad un piano solo, oggi s’innalzano grandi grattacieli. La densit? di abitanti (bit) cresce esponenzialmente.

 

Nel 2013, dopo dieci anni di studi, i ricercatori della Samsung hanno annunciato al mondo di essere riusciti a portare in produzione dei chip di memoria in cui le celle non si trovano più affiancate l’una all’altra in una matrice piana, a due dimensioni, ma sono realizzate in verticale, aprendo le porte anche alla terza dimensione [footnote number=”” ]B. Reed, New Samsung chips could lead to smartphones with 384GB of storage, BGR, 06-08-2013[/footnote].
Il cambio di paradigma è stato dirompente: a fine Marzo 2015 altre grandi multinazionali (Toshiba, Micron e Intel) annunciano -a distanza di poche ore l’una dall’altra-  di poter mettere a disposizione dei propri clienti chip di memoria a tre dimensioni (3D) [footnote number=”” ]P. Alcorn, Toshiba Unveils 48-Layer BiCS 3D NAND, Tom’s Hardware, 26-03-2015[/footnote] [footnote number=”” ]R. Merritt, Micron, Intel Flash 3D NAND 256, 384 Gbit chips sampling, SSDs TK, EETimes, 26-03-2015[/footnote] [footnote number=”” ]Micron, Micron and Intel Unveil New 3D NAND Flash Memory, Press Release 26-03-2015[/footnote].
Fino a quel momento il modo convenzionale di pensare era stato prettamente planare. Tutti gli sforzi compiuti dalla ricerca erano stati indirizzati a ridurre le dimensioni di chip pressoché piatti, senza troppa fantasia, e in accordo alla legge di Moore, ovvero moltiplicando il nodo tecnologico per 0,7 da una generazione alla successiva, in modo da occupare la metà dello spazio (0,7 x 0,7 ≈ ½). Oggi, invece, si progettano chip che assomigliano sempre più a grattacieli e la nuova frontiera dell’innovazione consiste nel trovare approcci che superino il convenzionale e le limitazioni tecnologiche, permettendo di far crescere ulteriormente il mercato delle memorie.
Questa crescita esponenziale e la conseguente drastica riduzione del prezzo per bit ha fatto sì che i computer portatili non siano più equipaggiati con i classici dischi rigidi magnetici bensì con unità a stato solido, ovvero con memorie FLASH. La differenza sostanziale è che i vecchi dischi magnetici possedevano molte parti meccaniche costantemente in movimento (piatti, testine, motore), che rendevano il dispositivo lento, rumoroso e poco incline al risparmio energetico, mentre le nuove unità a stato solido, essendo costituite unicamente da chip a semiconduttore, sono più veloci e silenziose, hanno un minore consumo energetico e sono decisamente più resistenti agli urti.
L’utilizzo di tecnologie a 3D aumenterà ulteriormente le capacità dei chip portando l’innovazione non solo nelle chiavette USB o nelle SD card ma anche nei server, su internet e nella vita di tutti. Basti pensare che ogni giorno su Facebook vengono caricate 250 miliardi di foto e per ogni minuto trascorso su YouTube ci sono 30 ore di nuovi filmati da guardare. Questi giganti della rete, e molti altri ancora, non solo necessitano di supporti sempre più veloci, capienti ed affidabili, ma anche di risparmiare dal punto di vista dei consumi energetici.
La premessa, per cui tutto ciò possa divenire reale, è stato quindi un cambio sostanziale nel modo di concepire i circuiti integrati, e se ci si potrà mantenere ancora per qualche anno sulla strada tracciata da Moore quarant’anni fa è perché la microelettronica ha scoperto che il suo mondo non è fatto solo da due dimensioni, ma da tre.

Bibliografia

[1] NASA, Computers in Spaceflight: The NASA Experience, Chapter Two: Computers On Board The Apollo Spacecraft, Washington, USA.

[2] I. Tuomi, The Lives and Death of Moore’s Law, FirstMonday, 7(11), 04-11-2002.

[3] SEMI, Perspectives on 450mm, 08-09-2011.

[4] International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), More Than Moore White Paper, edited by W. Arden, M. Brillouët, P. Cogez, M. Graef, B. Huizing, R. Mahnkopf.

[5] B. Fulford, Unsung Hero, Forbes, 24-06-2002.

[6] B. Reed, New Samsung chips could lead to smartphones with 384GB of storage, BGR, 06-08-2013.

[7] P. Alcorn, Toshiba Unveils 48-Layer BiCS 3D NAND, Tom’s Hardware, 26-03-2015.

[8] R. Merritt, Micron, Intel Flash 3D NAND 256, 384 Gbit chips sampling, SSDs TK, EETimes, 26-03-2015.

[9] Micron, Micron and Intel Unveil New 3D NAND Flash Memory, Press Release 26-03-2015.

Info sui Revisori di questo articolo

Agostino Pirovano è “Senior Member of the Technical Staff”, nel gruppo “Memorie Non Volatili” in Micron (IT).
Denis Perrone è “Junior Technician” presso il “Center for Space and Human Robotics” (CSHR) dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova (IT).
Nicola Ganci, laureato in Storia e Master in Giornalismo,  si occupa di enogastronomia e copywriting (IT).
Catia Cialani è Lecturer of Economics and Programme Director of MSc Economics of Tourism and EventsSchool of Technology and Business Studies presso Dalarna University, (SWE).

About the Author

Umberto M. Meotto
Da sempre interessato alla divulgazione scientifica, Umberto Maria Meotto lavora come Senior Process Integration Engineer nel dipartimento di Ricerca e Sviluppo della Micron Technology, multinazionale americana leader globale nel settore dei semiconduttori. Nato nel 1978 a Torino, si laurea nel 2003 in Scienza dei Materiali con una tesi sui diodi in Carburo di Silicio condotta principalmente presso i laboratori del Politecnico di Torino. Dopo pochi mesi viene assunto da STMicroelectronics dove si occupa di Memorie Flash NOR a 90 e 65nm. Dal 2008 al 2010 lavora per Numonyx, spin-off delle divisioni memorie di STM ed Intel, su tecnologie Flash NAND a 52nm. Ha al suo attivo alcune pubblicazioni e 4 brevetti negli Stati Uniti inerenti memorie ad intrappolamento di carica (CTF) e a cambiamento di fase (PCM), suo attuale campo di ricerca.

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