Attenzione alla variabilità

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Avete una giornata no con l’elettronica? La colpa è dei transistor che mostrano oggi una variabilità di circa il 40%, che a breve potrebbe arrivare a 60%, nella tensione di soglia e che porta un personal computer o un cellulare a funzionare un giorno più velocemente e un altro più lentamente.

"Oggi il mio computer ha avuto una giornata no”. In qualità di ingegneri, guardiamo con sospetto le persone che fanno affermazioni simili. Nel prossimo futuro tuttavia dovremo prendere sul serio questi utenti. Il fatto è che esiste un'evoluzione in corso che riguarderà il mondo dell'elettronica consumer con uno scossone: l'elettronica che funziona fino a un certo punto. Chi non è pieno di nostalgia per l'era dello “scaling disinvolto” in cui ogni anno venivano prodotti transistor sempre più piccoli, che erano più veloci, più piccoli e dotati di un'efficienza energetica superiore rispetto ai loro predecessori? Nel bene o nel male, quest'epoca è finita. I transistor con dimensioni su scala nanometrica mostrano una grande variabilità dopo la produzione e durante l'uso. Laddove un tempo potevamo produrre un lotto uniforme con una tensione di soglia fissa, i transistor ora mostrano una variabilità di circa il 40% nella tensione di soglia. Entro il 2013, ci aspettiamo che questa variabilità possa arrivare fino al 60%.

Chip caldi o freddi?
I produttori di chip come Intel cercano di sconfiggere questo problema legato alla variabilità. Una delle loro soluzioni consiste in una misura della potenza dei chip processore e nel loro riadattamento prima di venderli. Se doveste realizzare per esempio 1000 chip processore con una determinata tensione di alimentazione e una frequenza di clock, il consumo di potenza di questi chip in sé varierà fortemente. Avrete dei chip freddi “risparmiosi” che consumano solo poca energia (ad esempio 80 Watt) e dei chip caldi “dispendiosi” che consumano fino a 150 watt. Quello che fa Intel è scalare la tensione di alimentazione e la frequenza del clock dei chip dispendiosi fino a quando essi consumano appena 100 Watt (un consumo di 100 Watt è il limite di quanto possiamo raffreddare). D'altra parte, la tensione di alimentazione e la frequenza di clock dei chip risparmiosi è forzata fino al limite di consumo di 100 Watt. Il primo gruppo funziona ad esempio a una frequenza di lavoro bassa di 2,4 GHz ed è venduto a basso costo, mentre il secondo gruppo, con una frequenza di clock di 3,2 GHz, può essere venduto a un prezzo più alto. Grazie alla misura e al riadattamento della potenza, tutti i chip possono ancora essere venduti, anche se alcuni a un prezzo più basso.

Le fluttuazioni dei chip
Tuttavia, la storia della variabilità non finisce qui. Anche dopo che i chip processore finiscono nel vostro computer e sul vostro telefono cellulare, essi continueranno a mostrare un comportamento incostante. Dopo aver svolto un servizio affidabile per voi per un paio di anni, inizieranno a mostrare un consumo di potenza fluttuante, anche con una frequenza di clock costante. Il sistema di controllo sarà quindi obbligato ad adattare costantemente la tensione di alimentazione e la frequenza di clock al fine di restare all'interno del limite di raffredamento di 100 Watt. Di conseguenza, il vostro computer funzionarà più velocemente un giorno e più lentamente un altro, o sarete in grado ad esempio di vedere un'immagine ad alta risoluzione sul vostro telefono cellulare un giorno, ma non un altro giorno. Inoltre i chip processore dovranno riposare un pò dopo un periodo “pesante”, prima che possano ancora operare al massimo della velocità. Questo secondo problema, legato alla variabilità, affligge già l'industria odierna dell'informatica, anche se in misura limitata. I produttori risolvono questo problema spostando i compiti di un processore usurato verso un processore più efficiente quando si ha a che fare con i sistemi multicore.

Dal silicio all'elettronica organica
Siano essi “consumati”, “in una giornata no”, o “a riposo”, una cosa è chiara: i computer stanno diventando più umani e questa volta ciò non ha un significato positivo! I transistor al silicio sembrano raggiungere lentamente i propri limiti, mentre all'orizzonte i transistor organici si avviano verso uno splendico futuro. Quando si parla di ampiezza di linea e di velocità, i transistor pMos organici oggi sono situati nello stadio in cui i transistor pMos al silicio si trovavano negli anni settanta. I transistor nMos e i circuiti di memoria organici sono sulla buona strada. Questa nuova tecnologia non ci offrirà computer più veloci, ma piuttosto nuove applicazioni, grazie alla natura flessibile ed economica di questa tecnologia. Una delle prospettive è che i chip informatici saranno incorporati all'interno dei vestiti, della tappezzeria e molto altro. Oggi non possiamo immaginare quale impatto l'elettronica organica avrà sulle nostre vite. Questo è precisamente la situazione di 40 anni fa, quando non potevamo farci l'idea che proprio un editoriale come questo sarebbe stato scritto per mezzo di un piccolo computer portatile con 4 Gbyte di memoria di lavoro e un chip processore con oltre un miliardo di transistor.

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