Sistemi embedded ed elettronica bio-ispirata

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I sistemi biologici si sono sviluppati evolvendosi in milioni di anni per raggiungere una perfezione quasi assoluta nello svolgere funzioni di natura sensoriale, attuativa e decisionale con prestazioni asintoticamente corrispondenti ai requisiti dei sistemi embedded, minimo consumo di potenza elettrica, piccolissime dimensioni e operatività in tempo reale. Ora che la microelettronica comincia a entrare in crisi a causa del raggiungimento dei limiti fisici alla riduzione della geometria di integrazione, trarre ispirazione dai sistemi biologici, umani e non umani, rappresenta oggi una delle poche possibilità di sopravvivenza della legge di Moore così come è stata formulata agli inizi degli anni ’60 (la legge di Moore al suo annuncio nel 1965 asseriva sostanzialmente un continuo aumento della funzionalità per unità di costo dei dispositivi microelettronici come conseguenza della diminuzione del dimezzamento delle dimensioni dei circuiti integrati ogni 18-24 mesi). È ormai noto che la riduzione della geometria di integrazione (abbiamo raggiunto geometrie dell’ordine molecolare) e quella dei costi (il costo per transistor è sceso di un milione di volte dal 1970 ad oggi) sono i limiti fondamentali alla sostenibilità della legge di Moore, e che quindi, nella lungimiranza di questa legge empirica (non è ne di natura fisica, ne matematica, ma deriva dall’osservazione, ancorchè molto preliminare, della natura dei processi microelettronici) qualcosa in più deve essere stato intuito da Moore: la convergenza tra biologia ed elettronica. Ma non si tratta solo di una convergenza tecnologica, bensì di una convergenza sistemica che trova la sua migliore rappresentazione nell’aggettivazione “bio-inspired”. Si, perché l’elettronica per i sistemi embedded che darà continuità alla legge di Moore nei prossimi lustri sarà ispirata dai modelli biologici, sia in termini i di processo produttivo, sia in termini di modello funzionale. Il modello biologico, soprattutto nel campo trasduttivo (sensori e attuatori) e nel campo computazionale (inferenziale), è una fonte di spirazione sconfinata per l’elettronica in generale, e soprattutto con una forte motivazione applicativa, considerando che i sistemi biologici, per esempio quelli umani, hanno caratteristiche di consumo energetico dell’ordine del picoWatt per cellula e che nell’insieme, il cervello (il processore + memoria) con il resto del corpo (periferiche, sistema energetico, temporizzazione, ecc.) consumano rispettivamente circa 12 e 100 Watt per eseguire funzioni e processi che richiederebbero, in proporzione, enormi quantità di energia se eseguiti dai sistemi microelettronici tradizionali. Il biomorfismo dell’elettronica non è semplicemente una speculazione scientifica, ma un vero e proprio obiettivo tecnologico che, tra l’altro, già sta dando i suoi primi risultati applicativi in campi significativi come la medicina, l’industria e il consumer.


Dal biotransistor al biochip
Il transistor, come è noto, è il componente elettronico alla base degli attuali sistemi di elaborazione delle informazioni, sia in campo analogico, sia in quello digitale. La sua realizzazione miniaturizzata e a basso consumo energetico sono gli obiettivi che l’industria microelettronica sta tentando di ottenere percorrendo varie strade, di cui quella bio-inspired è particolarmente promettente in quanto ha alle spalle il modello biologico che vanta un’evoluzione di milioni di anni. La sfida sta nel trovare le tecnologie e le metodologie per rendere compatibile l’elettronica con la biologia e più in generale della fisica dei nanomateriali. Le molecole organiche sono alla base dello sviluppo delle tecnologie di bioelettronica in quanto sono perfettamente compatibili con la fabbricazione dei dispositivi elettronici in scala nanometrica, dimostrando una grande efficienza funzionale rispetto alla controparte elettronica. Tali composti organici hanno proprietà tipiche dei componenti elettronici e quindi consentono di replicarne in meglio le funzionalità e quindi di realizzare in scala nano e sub-nanometrica dispositivi elettronici attualmente realizzabili solo in scala micrometrica. Il biotransistor è un’emblematica realizzazione del transistor elettronico che può arrivare ad utilizzare anche una singola molecola che a sua volta può essere costituita da pochi atomi. Un esempio è il transistor realizzato con una singola molecola da parte di un gruppo internazionale di fisici tedeschi, statunitensi e giapponesi (Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik e Freie Universität Berlin, NTT Basic Research Laboratories e U.S. Naval Research Laboratory). L’elettronica molecolare non si differenzia da quella microelettronica solo per le potenzialità in termini di scala di integrazione e di efficienza energetica, ma anche relativamente al processo produttivo. Il processo produttivo della microelettronica è di tipo top-down in quanto si ottengono i componenti elementari dell’elettronica, i transistor, tramite assottigliamento progressivo del materiale semiconduttore. Il processo produttivo della bioelettronica è bottom-up, cioè parte dai singoli atomi e li aggrega in molecole che svolgono la funzione equivalente del transistor. Questo processo, apparentemente complesso, in realtà è molto più semplice ed economico dell’attuale processo che porta alla realizzazione su silicio di transistor con la fotolitografia, sempre più costosa e critica man mano che la geometria di integrazione si avvicina alle dimensioni molecolari (sotto i 10 nanometri).

Elettronica molecolare organica e biocomputing
Le molecole organiche rappresentano una valida alternativa alla microelettronica in campo industriale e medicale in particolare, in quanto dotate di proprietà tipiche dei dispositivi elettronici. La capacità di operare come dispositivi a semiconduttore consente l’integrazione con i componenti elettronici e quindi la possibilità di creare dispositivi e sistemi che si adattano perfettamente alla natura dell’applicazione, per esempio quella medicale. Una ben nota molecola organica presente nel nucleo delle cellule è il Dna. Questa molecola non è semplicemente uno schema informativo degli organismi viventi, ma un sistema di memorizzazione, elaborazione e controllo tramite il flusso di informazione che essa fornisce all’organismo per la sua crescita e mantenimento. Il Dna è un modello di elaboratore con capacità di autoassemblaggio, e di conseguenza particolarmente interessante per la realizzazione di dispositivi elettronici come le memorie intelligenti o dei sisemi di computing basati sulle sequenze di Dna. Switch, nanosensori, nanoattuatori, sono dispositivivi basati su Dna già sviluppati in ambito accademico (Università di Porthsmout). Anche le proteine hanno peculiarità che le rendono applicabili al mondo dell’elettronica, in particolare la capacità di organizzarsi in strutture ordinate. Un esempio di applicazione elettronica delle proteine è nei risultati ottenuti dai fisici del centro Infm-S3 di Modena relativamente al “wet biotransistor” realizzato con una singola proteina (azurina). La proteina è posta tra due elettrodi che svolgono un ruolo equivalente a quello del “source” e “drain” come nel tradizionale transistor. La funzione di “gate” viene ottenuta tramite un terzo elettrodo che controlla il passaggio della corrente. La peculiarità di questo biotransistor è quella di operare in ambiente umido a differenza del transistor tradizionale che funziona solo in ambiente asciutto. I nanotubi sono strutture di atomi di carbonio con eccezionali caratteristiche meccaniche (più forti dell’acciaio) ed elettriche (possono essere sia conduttori, sia semiconduttori), con dimensioni praticamente atomiche. Motorola, nei sui laboratori di ricerca ha sviluppato una tecnologia basata sui nanotubi per ottenere display di grandissime dimensioni e di un paio di centimetri di spessore. Si tratta della tecnologia Ned (Nano emissive display) che fa uso di milioni di piccolissimi cannoni elettronici fatti di nanotubi dello spessore inferiore a quello di un foglio di carta e che emettono luce in corrispondenza di un pixel.

Sistemi bio-ispirati
L’elettronica bio-ispirata è alla base di una nuova generazione di sistemi elettronici particolarmente efficienti e fatti su misura per le applicazioni cui saranno destinati. Gli stessi sistemi finali, per essere perfettamente efficienti, saranno bio-inspirati, come per esempio dimostrano la realizzazione della silicon coclea (parte neurosensoriale del sistema uditivo) e la silicon retina (parte neurosensoriale del sistema visivo). Questi sistemi, pur essendo realizzati con tecnologie microelettroniche, nella loro modellazione sono bio-ispirate. Se realizzate anche con tecnologie bio-nano-elettroniche, come per esempio già consentono le Nems (Nano electro mechanical Systems), evoluzione nanometrica delle Mems (Micro electro mechanical systems), allora sarebbero sistemi funzionalmente e circuitalmente bio ispirati.

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