Imec, la ricerca continua

ATTUALITA' –

L’istituto belga prosegue con successo le attività di R&D rivolte ai vari aspetti della nanoelettronica (miniaturizzazione, Mems, fotovoltaico ecc.) e inaugura nuovi filoni di ricerca riguardanti la visione artificiale e i supercomputer.

Non stanno certo con le mani in mano i ricercatori di Imec: a soli otto mesi dall'ultimo incontro con la stampa, infatti, il grande istituto di Lovanio (1.800 collaboratori, un fatturato di 275 milioni di euro nel 2009) aveva già in serbo una valanga di novità hi-tech pronte per essere comunicate ai giornalisti. Quest'anno il consueto appuntamento con i media ha avuto luogo il 7 e l'8 giugno ed è stato organizzato in collaborazione con l'Holst Centre di Eindhoven, un altro istituto di ricerca. Per quanto riguarda direttamente Imec, le novità sono essenzialmente di due tipi: i progressi riportati nei consueti campi di ricerca e l'inaugurazione di nuovi filoni di attività. Un cenno, innanzitutto, alle nuove iniziative: la creazione del laboratorio Nerf (Neuro-Electronics Research Flanders); la nascita di un nuovo “programma di affiliazione” rivolto alle società fabless e fablite, che si propone di creare un collegamento tra le tecnologie di processo e la progettazione di sistema; l'offerta di un servizio di “fonderia” per i Mems rivolto anche alle università, tramite wafer multi-progetto, nell'ambito del programma Europractice; l'ingresso di Imec nel campo delle ricerche sulla visione e sull'ottica; la creazione di un laboratorio dedicato ai supercomputer. Queste ultime due iniziative saranno illustrate in maggior dettaglio nelle righe seguenti, al termine di una carrellata sui progressi riguardanti i consueti filoni di ricerca riconducibili alla nanoelettronica. In occasione dell'incontro dello scorso giugno, inoltre, Imec ha inaugurato una nuova clean room di 1.200 metri quadri, destinata a ospitare le apparecchiature più sofisticate per la litografia Euv (Extreme ultra-violet), e ha preannunciato la costruzione di un edificio di sedici piani riservato agli uffici.

Chip tridimensionali
Tra le tecnologie di base che Imec sta esplorando è compresa la realizzazione di circuiti integrati tridimensionali (cioè l'assemblaggio di più chip sovrapposti), uno dei modi tramite cui la comunità elettronica conta di “mantenere in vigore” la legge di Moore ancora per molti anni. Sovrapponendo un chip di logica a un chip di memoria, ad esempio, diviene possibile aumentare drasticamente il numero degli I/O che collegano queste due parti del sistema e quindi ottenere una banda di memoria di 12,8 GB/s (come richiesto da applicazioni quali la TV ad alta definizione) senza aumentare troppo la frequenza di clock. Imec ha messo a punto una serie di tecnologie per progettare e fabbricare chip 3D utilizzando le Tsv (Through-silicon via), con particolare riferimento ai requisiti dei sistemi mobili consumer. Tra i risultati ottenuti, oltre a vari chip funzionanti, anche una soluzione che consente di fare a meno delle protezioni Esd sui singoli I/O, che occupano molto spazio. I problemi aperti riguardano principalmente lo stress meccanico dovuto alle dilatazioni termiche: le Tsv infatti sono realizzate in rame e si dilatano in modo diverso rispetto al silicio. Per esplorare e convalidare le soluzioni di progetto che - caso per caso - consentono di risolvere questo problema, Imec propone l'impiego dei “campioni intelligenti” (SmartSamples), dispositivi pilota che integrano i sensori per il monitoraggio dello stress meccanico. Molto importante, inoltre, tenere conto fin dall'inizio dei requisiti di packaging. L'istituto belga è impegnato anche nello sviluppo di varie soluzioni finalizzate a ridurre ulteriormente le geometrie Cmos per raggiungere il nodo dei 10 nanometri. Uno dei risultati recentemente ottenuti in questo campo è la realizzazione di una cella Sram a 22 nanometri realizzata con litografia Euv, che ha dimostrato una resa produttiva molto superiore alla precedente generazione. Proseguono intanto le ricerche volte a risolvere gli ultimi problemi nel campo della litografia Euv: occorre migliorare le prestazioni del photoresist, l'efficacia dell'ispezione delle maschere per l'individuazione dei difetti, l'affidabilità delle fonti UV.

I MEMS per l'energy harvesting
Imec sta conducendo ricerche anche sull'impiego dei Mems nel campo dell'energy harvesting: i dispositivi micro-elettromeccanici possono infatti essere utilizzati per convertire le vibrazioni in energia elettrica, sfruttando principi elettrostatici oppure piezoelettrici. L'istituto ha recentemente conseguito un risultato significativo in questo campo con la realizzazione di un Mems piezoelettrico capace di produrre 100 microwatt se sottoposto a una vibrazione a 572 hertz. Per migliorare l'efficienza di conversione, Imec ha inoltre sviluppato una tecnica di packaging sotto vuoto. Progressi sono stati ottenuti anche per i Mems che impiegano la conversione elettrostatica, nei quali le vibrazioni muovono una massa fissata su molle. Imec è impegnata anche nello studio di energy harvester che sfruttano il calore, con la realizzazione di chip che contengono duemila o tremila celle a effetto Seebeck. Una delle applicazioni principali a cui sono finalizzate queste ricerche è l'alimentazione di dispositivi medici destinati a essere indossati permanentemente dalle persone, ma esistono ovviamente molte altre possibilità: ad esempio, nel campo della meccanica, il calore prodotto da una macchina può essere utilizzato per alimentare un sensore di vibrazione montato permanentemente su un asse.

Processori biomedici a basso consumo
Ancora in tema di dispositivi medici destinati a essere indossati permanentemente dalle persone (ad esempio gli elettrocardiografi wireless in formato di “cerotto” e gli elettroencefalografi wireless), l'altro fronte su cui Imec sta lavorando - in collaborazione con Holst Center - è la riduzione dei consumi. In questi sistemi i dati raccolti dai sensori sono affetti dai disturbi provocati dal movimento del corpo e devono quindi essere elaborati prima di poter essere utilizzati a fini diagnostici. Una delle soluzioni proposte da Imec consiste nell'effettuare queste elaborazioni direttamente nell'apparecchio indossato dal paziente, per mezzo di appositi processori biomedici a basso consumo. L'elaborazione locale, che ha un impatto minimo sul bilancio energetico del sistema, consente di comprimere drasticamente i dati trasmessi e quindi di tagliare i consumi della radio. I processori biomedici sviluppati da Imec per queste applicazioni sono tre: BioDsp, BioFlux ed Ecg-Soc.

La radio cognitiva riconfigurabile
Prosegue inoltre l'attività di Imec nel campo della “radio cognitiva riconfigurabile” (cognitive reconfigurable radio), un'evoluzione della “software defined radio” che è in grado di esplorare lo spettro per cercare una banda libera e quindi di configurarsi automaticamente, cambiando la frequenza e lo standard di trasmissione a seconda delle necessità. L'ultima novità su questo fronte consiste nella presentazione dell'architettura Cobra (Cognitive Baseband Radio) rivolta ai futuri terminali mobili di quarta generazione e alle stazioni base per celle di piccole dimensioni. La piattaforma può essere adattata a molti diversi standard: Wlan (da Ieee 802.11n a .11ac), telefonia cellulare (Lte o Lte-advanced), trasmissioni televisive (da DVB-T/H a DVB-T2). Cobra comprende vari chip a basso consumo sviluppati da Imec, tra cui il processore di banda base riconfigurabile Adres e un processore specificamente rivolto alla correzione degli errori, che può eseguire sia codici turbo sia codici Ldpc (Low-Density Parity-Check). La nuova architettura comprende anche un front-end digitale basato su Asip (Application Specific Integrated Processor) per l'esplorazione dello spettro e l'individuazione delle frequenze disponibili.

Nitruro di gallio
Si registrano progressi anche sul fronte delle ricerche dedicate al nitruro di gallio (GaN), un semiconduttore molto promettente per l'alto valore del campo elettrico di breakdown e l'elevata mobilità degli elettroni. Le applicazioni principali del nitruro di gallio riguardano i Led e i dispositivi di potenza; per quanto concerne questo secondo ambito applicativo, Imec sta studiando soluzioni a basso costo che utilizzano la crescita epitassiale su substrato di silicio, con la deposizione di strati intermedi per compensare le differenze tra i due reticoli cristallini e tra i due coefficienti di dilatazione termica. Sempre per ridurre i costi è stata inoltre stilata una roadmap che tende alla messa a punto di un processo compatibile con Cmos su wafer da otto pollici. L'istituto ha recentemente creato un programma di affiliazione rivolto al nitruro di gallio, al quale hanno già aderito quattro partner industriali.

Celle fotovoltaiche
Per quanto riguarda il settore delle energie alternative, Imec ha recentemente messo a punto un processo che consente di ridurre i costi di fabbricazione delle celle termofotovoltaiche in germanio. Questi dispositivi trasformano in energia elettrica il calore emesso da fonti a temperature relativamente basse e si prestano quindi allo sfruttamento dell'energia termica che normalmente viene sprecata nei processi industriali, oppure ad applicazioni domestiche di cogenerazione (calore più elettricità). In pratica però le celle termofotovoltaiche in germanio non hanno ancora trovato applicazioni concrete a causa del loro costo elevato. Tradizionalmente, infatti, questi dispositivi vengono prodotti partendo da costosi substrati preparati per la crescita epitassiale. Il processo messo a punto da Imec, invece, non richiede alcuna deposizione epitassiale (si basa infatti su fasi di diffusione e passivazione) e permette quindi di utilizzare substrati in germanio molto più economici. I dispositivi così fabbricati, inoltre, offrono anche un'efficienza di conversione più elevata. Le celle in germanio potranno essere impiegate anche nelle “normali” applicazioni fotovoltaiche, insieme alle tradizionali celle in silicio, per convertire in energia elettrica anche le radiazioni infrarosse emesse dal sole. Ancora nel campo del fotovoltaico, Imec ha lanciato un programma di affiliazione dedicato alle celle “organiche”, basate cioè su polimeri o su “piccole molecole”. L'istituto dispone di una linea produttiva appositamente rivolta allo sviluppo di questa tecnologia, che ha già consentito di sperimentare nuovi materiali caratterizzati da maggiore efficienza di conversione. Tra le ipotesi allo studio è compresa la combinazione di materiali diversi per assorbire parti diverse dello spettro solare. Miglioramenti sono previsti anche sul fronte della stabilità (cioè della durata), delle dimensioni e dei costi delle celle.

Applicazioni di visione
Tra i nuovi programmi di affiliazione lanciati da Imec è compresa l'iniziativa Nvision, dedicata alla visione artificiale e all'ottica. I campi oggetto di indagine comprendono la visione “iper-spettrale” e le “lenti intelligenti”. La prima delle due tecnologie consiste nel migliorare la visione artificiale utilizzando informazioni ottenute tramite la spettroscopia della superficie in esame. Le possibili applicazioni della Hsi (HyperSpectral Imaging) riguardano la medicina, il settore agroalimentare, l'industria automobilistica ecc. Le ricerche di Imec sono rivolte a migliorare le prestazioni e ridurre i costi della tecnologia. Una delle prime applicazioni realizzate dai partner dell'istituto belga è la “melanoma pen”, uno strumento diagnostico a forma di penna che analizza le macchie della pelle e stabilisce se esse siano riconducibili a un potenziale melanoma. Le “lenti intelligenti”, invece, sono in realtà costituite da due array di microspecchi Mems (8x10 micron) applicati al sensore di immagine e consentono di sostituire le lenti tradizionali utilizzate per la messa a fuoco e per lo zoom. La soluzione, rivolta in primo luogo alle fotocamere digitali reflex (in inglese indicate dalla sigla Dslr, acronimo di Digital Single-Lens Reflex), permette di dimezzare le dimensioni dell'obiettivo e raddoppiare la portata dello zoom, senza peggiorare la qualità dell'immagine. Inoltre un unico dispositivo ottico può svolgere le funzioni di macrofotografia o di teleobiettivo, con la possibilità di correggere facilmente le aberrazioni tramite controllo elettronico.

Supercalcolatori
Va segnalato, infine l'ingresso di Imec nel campo delle ricerche sui supercalcolatori: i locali dell'istituto belga ospiteranno infatti il Flanders ExaScience Lab, in altri termini il laboratorio delle Fiandre dedicato ai computer con prestazioni nell'ordine degli ExaFlops. Ricordiamo che il prefisso Exa- sta per 1018; un ExaFlops, quindi, è pari a un miliardo di miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo, una potenza di calcolo equivalente a quella di cinquanta milioni di personal computer. Il nuovo laboratorio si propone di moltiplicare per mille le prestazioni degli odierni supercalcolatori, che sono nell'ordine dei PetaFlops (1015). La struttura nasce dalla collaborazione tra Intel, Imec, un'agenzia governativa e cinque università delle Fiandre. La disponibilità di supercalcolatori più potenti consentirà - tra le altre cose - di simulare meglio e con maggiore anticipo fenomeni naturali come le eruzioni solari, che con i loro campi magnetici possono danneggiare i satelliti, disturbare i navigatori Gps e indurre forti sovracorrenti sulle reti di distribuzione dell'energia elettrica. La strada verso i supercalcolatori Exa-scale presenta tuttora molti ostacoli: con le tecnologie di oggi una macchina così potente dovrebbe essere composta di dieci miliardi di core, consumerebbe 700 megawatt e si guasterebbe una volta ogni minuto. Un altro fronte di ricerca riguarda la programmazione di macchine
caratterizzate da un grado di parallelismo così elevato.

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