La ben nota Legge di Moore ha creato la rivoluzione industriale nel campo dell'elettronica nel corso degli ultimi 30 anni. Gordon Moore scrisse il primo articolo nel 1965, citando quello che sarà a ragione ritenuta una vera a propria: interpolando quattro punti su una scala semilogaritmica tracciò una retta deducendo che ogni due anni la densità dei dispositivi su semiconduttore sarebbe raddoppiata a parità di costo, sfruttando i vantaggi offerti dalla litografia. Nel corso degli ultimi 30 anni sono state individuate diverse killer application e si sono susseguiti numerosi picchi e periodi di crisi. L'andamento di crescita del mercato, che in passato era in media del 16 % all'anno, mostra ora segni di rallentamento, attestandosi intorno al 10-12%. Si registra una forte tendenza verso la convergenza delle tecnologie e verso il consolidamento.
L'ENIAC (European Nanoelectronics Initiative Advisory Council), il consorzio delle società europee di semiconduttori impegnate nella ricerca sulle nanotecnologie, fornisce una visione del mercato dei semiconduttori fino al 2020. Prima di tutto occorre osservare che il contributo delle società di semiconduttori deve dedicarsi soprattutto a prodotti e ad applicazioni che servono agli utenti finali, anziché occuparsi semplicemente degli aspetti scientifici. La principale tendenza che si osserva è verso l'integrazione di tecnologie eterogenee in soluzioni System on Chip e System In Package. È in corso un'intensa attività di ricerca di base sulle tecnologie alternative al processo CMOS, che presenta diversi filoni nuovi non ancora ben identificati. Ai concetti del “More Moore”, già ben noto e codificato, e del “Moore than Moore”, che si stanno gradualmente imponendo, le società di semiconduttori Europee e in particolare l'STMicroelectronics, hanno dato un impulso notevole. È stata proprio STMicroelectronics a ispirare il concetto definito come “More Than Moore”. Il processo di miniaturizzazione dei processi se semiconduttore per i dispositivi di calcolo, di tipo puramente digitale ha seguito, come ben noto, la legge di Moore. Da qualche anno si è iniziato a comprendere che in realtà esistono altri fattori in gioco, molto diversi, e questo ha determinato una vera e propria rivoluzione. Con l'aumentare del grado di miniaturizzazione, ci avviciniamo ai limiti fisici del silicio; il principale problema con cui ci scontriamo oggi è la gestione della potenza generata per unità di superficie, sempre più problematica. Per questo i ricercatori hanno iniziato a porsi domande su come estrarre in modo efficace il calore dai dispositivi su silicio. Nel 2003 nel corso di una conferenza organizzata per il cinquantesimo anniversario dalla fondazione dell'ISSCC (International Solid State Circuits Conference), che si è tenuta, come di consueto, a San Francisco, il keynote speaker, Gordon Moore, parlò davanti a 3000 partecipanti, fra i migliori specialisti di semiconduttori nel mondo, affermando che la sua legge di Moore sarebbe rimasta valida ancora per 8 - 10 anni, sostenendo che nessuna legge esponenziale può durare all'infinito nel mondo dei semiconduttori, perché prima o poi si giunge a un fenomeno di saturazione. Il professor Sakurai dell'Università di Tokyo confermò che la legge di Moore potrà durare ancora per dieci, ma già da oggi ci scontriamo con il grosso problema della potenza dissipata. Se nell'arco di dieci anni, secondo la legge di Moore, miglioreremo il grado di miniaturizzazione di almeno due nodi tecnologici, con una nuova generazione di processo grosso modo ogni tre anni, avremmo bisogno di ridurre la potenza dissipata per unità di gate di un fattore 100 per tenerla sotto controllo. Anche se la litografia ci permette di arrivare a livelli molto spinti di miniaturizzazione, nella pratica è la potenza che ci limita. Diversi ricercatori hanno messo a punto soluzioni innovative per ridurre i consumi dei dispositivi, come la variazione dinamica della tensione di alimentazione a seconda della velocità del dispositivo; queste soluzioni però non bastano. Occorrono invenzioni più radicali per superare gli ostacoli fisici e ridurre ulteriormente la potenza dissipata, e le invenzioni purtroppo non sono codificabili in una roadmap, perché non sono prevedibili. Il terzo oratore a prendere parola fui io, che partecipavo della conferenza ISSCC in qualità di rappresentate Europeo. Osservai che il mondo dell'elettronica non può essere costituito solo da dispositivi di calcolo. Qualsiasi apparecchio elettronico è dotato di diversi dispositivi “al contorno” di interfaccia verso il mondo reale. Abbiamo l'alimentazione che preleva energia dalla rete, dalle batterie o dalle celle solari, le quali e si stanno gradualmente diffondendo sul mercato; gli apparecchi elettronici devono quindi disporre di unità per la gestione dell'alimentazione (power management). I segnali elaborati dalla CPU del sistema sono prelevati dal mondo esterno attraverso sensori e antenne; i dati in ingresso al sistema sono forniti da interruttori o da interfacce uomo-macchina come le tastiere. Nel sistema esistono poi le memorie, gli attuatori, i dispositivi di visualizzazione.
Le interfacce analogiche verso il mondo reale
Un sistema elettronico è quindi inserito nel mondo reale, in cui viviamo, che è chiaramente analogico, mentre l'elettronica opera con i livelli 0 e 1. L'interfaccia analogica converte i segnali provenienti dall'esterno nel più breve tempo possibile. Il segnale acquisito dai sensori è in seguito digitalizzato, elaborato e ridistribuito per poter rendere percepibile ai sensi dell'uomo i risultati dell'elaborazione. Dobbiamo quindi realizzare delle interfacce adatte a trasferire il segnale dal suo formato analogico a quello digitale per permettere al sistema di elaborare il segnale e di restituirlo all'utente.
Se in campo digitale e a bassa frequenza il processo CMOS la fa da padrone, per le alte frequenze il bipolare risulta ancora essere migliore in quanto ha delle prestazioni in frequenza superiori. I sensori che prelevano le informazioni dal mondo esterno hanno bisogno di un'interfaccia verso l'unità di elaborazione, supportata dalla memoria del sistema. A sua volta l'unità di elaborazione sta diventando sempre più fragile e sempre più difficile da connettere al mondo esterno, perché l'aumento della complessità e del grado di miniaturizzazione dei componenti digitali fa dì che i pin non si possano connettere direttamente all'esterno. Le tensioni di alimentazione sono scese dai 5 Volt fino anche a 1,9 V, e sono destinate a scendere ancora. Con l'aumento della densità dei componenti e delle frequenze operative, qualunque filo diventa una fonte micidiale di disturbo elettromagnetico. La CPU, il cervello potente del sistema, deve quindi essere tenuto “nella bambagia” attraverso dispositivi di protezione che permettono al core di funzionare correttamente senza essere danneggiato dai disturbi provenienti dall'ambiente esterno. Queste soluzioni, definite come “System Oriented Technologies”, sono in grado di proteggere i core digitali, sono particolarmente robuste e operano ad alta tensione. In questo settore STMicroelectronics la sta facendo da padrone, con un ampio portafoglio di dispositivi audio, tecnologie di memoria, componenti a radiofrequenza, passivi integrati, dispositivi per l'alta tensione realizzati nel processo BCD (Bipolar-CMOS-DMOS), sensori, attuatori e dispositivi microelettromeccanici e microfluidici. Sotto questo aspetto, possiamo affermare che l'Europa ha anticipato la tendenza. L'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor), ha iniziato a parlare del concetto di “More than Moore”, un anno dopo che fu messo in luce dalle aziende Europee. E all'interno dell'Europa va sottolineato che STMicroelectronics ha fornito un notevole contributo. Abbiamo creato un mercato completamente nuovo, che non segue la legge di Moore. O meglio, che segue una sua versione “modificata” dall'aggiunta di alcune variabili. È chiaro che, secondo la legge di Moore, il miglioramento continuo delle prestazioni dei dispositivi segue una roadmap, ossia un andamento regolare in cui possono essere fissate “tappe” e impostati limiti temporali e obiettivi precisi. Nel nuovo mondo schiuso dalle nuove tecnologie analogiche e microelettromeccaniche non si seguirà una vera e propria roadmap, ma si avranno delle “cluster inventions”, ossia un “grappolo” di invenzioni sviluppate a partire da un'invenzione “di rottura” (disruptive innovation) in una sorta di “filone”, esaurito il quale occorrerà attendere una nuova invenzione. E nel campo delle nanotecnologie c'è senza dubbio spazio per nuove idee e invenzioni.
Le innovazioni di rottura nascono nei laboratori: se sono valide e realizzabili, sono in seguito codificate in una sorta di roadmap generando un nuovo filone. Questo vale ad esempio per i componenti analogici e a radiofrequenza, per i componenti passivi integrati, per i dispositivi per l'alta tensione realizzati nel processo BCD, che costituiscono ormai tecnologie collaudate. All'inizio però non sapevamo neanche se si sarebbe potuto realizzare praticamente queste tecnologie, e se queste ultime avrebbero potuto servire un mercato. Oggi i dispositivi BCD fruttano a ST oltre un miliardo di dollari all'anno, al di là delle più rosee aspettative iniziali, e adesso è facile prevedere l'andamento del mercato. I sensori stanno ancora attraversando in un certo senso in una fase embrionale, anche se si sta iniziando a delineare una roadmap. I biochip saranno per noi la prossima sfida.
La tecnologia BCD è sviluppata da ST dalla metà degli anni '80 subendo una graduale evoluzione con i progressi della microlitografia. Fino al 2000 cercavamo di coprire più mercati possibili con una singola tecnologia, perché ciascuno di essi era troppo piccolo per giustificare lo sviluppo di un nuovo processo ad hoc. In seguito ci siamo accorti che il mercato richiedeva una specializzazione della tecnologia, e che alcuni segmenti il mercato avevano raggiunto una massa critica. Di conseguenza, sfruttando le conoscenze che abbiamo sviluppato nel corso degli anni, abbiamo adattato la tecnologia ad esigenze specifiche, distinguendo tre filoni principali: l'alta tensione, l'alta potenza e l'alta densità. Per i dispositivi ottimizzati per le alte tensioni occorre assicurare il funzionamento fino a 700 V e oltre. La complessità in termini di numero di componenti non costituisce un aspetto fondamentale. Per i componenti ad alta densità è necessario gestire il piccolo segnale ottimizzando il progetto per il rapporto segnale/rumore, la velocità e l'occupazione di area. Per i dispositivi ad alta potenza è fondamentale controllare le modalità di dissipazione, agendo sul layout, sui package, sulle saldature e sui dissipatori. Le applicazioni automotive sono il principale campo di impiego dei dispositivi ad alta potenza. Le variabili in gioco possono aumentare, includendo i dispositivi RF realizzati in tecnologia SOI, o i componenti ad alta tensione realizzati per il pilotaggio dei display LCD o al plasma. Spesso è più conveniente mantenere separata la parte ad alta tensione dai circuiti che operano a bassa tensione, combinando tecnologie ottimizzate per la propria funzione in un unico package SiP. È difficile prevedere se il processo di miniaturizzazione si fermerà o meno. Lavorando nella ricerca da una vita, mi sono reso conto che in media ogni due o tre anni i concetti di base dati per assodati cambiano. Alcuni aspetti che risultano essere limitanti in una determinata generazione di processo, possono subire un salto di qualità con la generazione successiva. In realtà non ci sono dei veri e propri limiti fisici al processo di miniaturizzazione.
Il concetto di System-on-chip
Con la tecnologia BCD STMicroelectronics ha superato, dal 2004, il miliardo di dollari di fatturato annuo e ha raggiunto 9 miliardi di fatturato cumulativo, con notevoli profitti, detenendo una posizione di leadership indiscussa. I primi prodotti realizzati 20 anni fa in tecnologia BCD sono ancora oggi sul mercato e sono diventati delle commodity insostituibili. Questi prodotti sono nati dalla nostra conoscenza delle esigenze del cliente, e dal fatto di aver compreso che integrando più dispositivi in un unico chip avrebbe apportato notevoli vantaggi per i nostri clienti. Avevamo già da allora posto le basi del concetto di System-on-Chip. La richiesta di sistemi su chip singolo arrivava infatti dai clienti già 20 anni fa. Ogni dispositivo in più su scheda comporta infatti la necessità di persone dedicate per il layout e l'ottimizzazione della scheda, con un conseguente aumento dei costi e dei rischi di progetto. Con l'integrazione è ridurre considerevolmente le risorse necessarie per lo sviluppo dei sistemi.
Ci sono vari settori di applicazione dei dispositivi altamente integrati in tecnologia BCD, di cui siamo stati i pionieri. Questi spaziano nel controllo motori in campo industriale, nei DC-DC converter, nei driver per i display, nei dispositivi audio consumer, o nei moduli SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) nel mondo telecom. In campo automotive si possono citare gli airbag, i sistemi ABS, le unità di controllo degli iniettori, gli alimentatori a commutazione e i voltage regulator. Le applicazioni automotive richiedono una qualità corrispondente a una presenza di guasti di meno di 0,3-0,4 parti per milione, e per alcune applicazioni queste prestazioni non sono sufficienti. Si inizia a richiedere livelli di affidabilità dell'ordine delle parti per miliardo. Nel corso degli anni abbiamo sviluppato decine di brevetti per superare gli ostacoli legati alle condizioni ambientali ostili ed ai forti transitori in tensione che si trovano nelle applicazioni automotive. Grazie a questa esperienza, oggi deteniamo oltre il 50 % del mercato mondiale dei regolatori per applicazioni automotive. Siamo diventati leader anche nelle soluzioni per il controllo delle testine delle stampanti, per l'audio, e per gli hard disk. Con le tecnologie emergenti, conviene concentrarsi su un mercato di grandi dimensioni, come quello consumer, per poi trasferire tecnologie e competenze in mercati di nicchia.
Il silicio come materiale per i dispositivi microelettromeccanici
Il silicio può essere usato come materiale di base non solo per realizzare circuiti integrati o memorie, ma anche per costruire strutture meccaniche. Da ciò si comprende il motivo per cui siamo così orientati al silicio. Esso offre infatti caratteristiche fisiche straordinarie. Presenta un carico di rottura 3 volte superiore alla maggior parte dei tipi di acciai attualmente in uso, ed è addirittura più leggero dell'acciaio. La durezza è dello stesso ordine di grandezza; la robustezza e la stabilità sono addirittura superiori. In più il silicio non è soggetto a fenomeni di deformazione permanente e di isteresi. Questo permette di realizzare su scala micrometrica e nanometrica delle strutture di tipo cantilever o delle membrane. È anche possibile oscillatori che vanno in risonanza con un Q di 105, che è dello stesso ordine di quello dei quarzi, offrendo in più la facilità di lavorazione tipica del silicio. A dire il vero, il silicio presenta caratteristiche termiche peggiori rispetto ai quarzi, che possono tuttavia essere corrette perché di natura sistematica. Di conseguenza si possono ottenere dei riferimenti meno precisi rispetto ai migliori quarzi, ma che si prestano comunque per numerose applicazioni. STMicroelectronics è impegnata nella produzione di dispositivi al silicio da usare in sostituzione dei quarzi.
Alcuni esempi di applicazioni in questo campo sono dati dai MEMS (Micro Electro Mechanical System) che costituiscono dei veri e propri sistemi tridimensionali, i quali integrano sensori, attuatori, i circuiti elettronici per il condizionamento e l'elaborazione dei segnali. Essi possono essere realizzati su chip singolo (System on Chip) o su package singolo (System in Package). STMicroelectronics offre famiglie complete di accelerometri di tipo angolare e angolare a uno, due o a tre assi ad elevata sensibilità, oltre a numerosi tipi di sensori e attuatori. In collaborazione con Istituto Di Ricerca Scientifica E Tecnologica Del Trentino (IRST) abbiamo realizzato un prototipo di microfono MEMS che presto entrerà in commercio. Una delle prime applicazioni dei MEMS è stata nelle testine degli hard disk, in sostituzione ai componenti meccanici. Ci sono voluti anni perché la tecnologia di affermasse, ed oggi stiamo assistendo a un vero e proprio boom, generato anche dalla diffusione delle console di videogiochi. Dalla loro entrata in commercio, le console Nintendo Wii, hanno venduto 600.000 unità in un solo giorno, andando letteralmente a ruba. Quest'anno esse generano una domanda di diverse centinaia di milioni di dispositivi MEMS, destinata a crescere in futuro. Esistono molte altre applicazioni potenzialmente pervasive, come le interfacce per i cellulari guidate dal semplice movimento della mano. Molti tipi di dispositivi MEMS pur essendo fattibili, sono risultati troppo costosi, e quindi non sono stati commercializzati. L'aspetto straordinario che vale la pena di sottolineare e che questi dispositivi, che mostrano livelli di precisione irraggiungibili con le tecnologie tradizionali, sono realizzati con processi tecnologici non particolarmente spinti, con litografie dell'ordine del micron.
La prossima frontiera per noi è nei biochip, che consentiranno di analizzare le sequenze di DNA o di altre molecole biologiche con un'efficacia e una precisione un tempo impensabili. Potranno realizzare apparecchi diagnostici portatili in grado di dare un feedback immediato al medico sullo stato di salute dei pazienti, anche da remoto, grazie a dei sensori indossabili in grado di trasmettere i dati acquisiti in modalità wireless. Consentiranno di curare molte patologie a domicilio, con enormi vantaggi in termini economici e di miglioramento della qualità della vita. Su queste tecnologie siamo nelle fasi iniziali, ma abbiamo raggiunto alcuni importanti risultati. Esse impongono una grossa sfida per i produttori di silicio: questi ultimi hanno acquisito negli anni vaste competenze sulle proprietà e sulla lavorazione dei semiconduttori, ma non hanno sfruttato appieno tutte le potenzialità che la tecnologia offre. Occorre sviluppare nuovi filoni di applicazioni rispondendo alle reali esigenze del mercato, collaborando strettamente con i clienti, cercando di capirne i bisogni, e soprattutto sviluppando le competenze multidisciplinari.
