Moletronica: la nuova frontiera dell’elettronica

MOLETRONICA –

L’elettronica molecolare è la nuova frontiera dell’elettronica che consentirà nel prossimo futuro di superare le barriere dell’elettronica tradizionale e di aprire un impressionate spazio applicativo.

La moletronica è l'alternativa all'elettronica tradizionale basata sulla tecnologia Cmos basata sul silicio. La moletronica è l'elettronica molecolare, cioè l'elettronica ottenuta aggregando opportunamente molecole in configurazioni tali da svolgere le funzioni dei dispositivi elettronici, in particolare il transistor. Data la natura subnanometrica, questa tecnologia rappresenta uno dei più importanti progressi tecnologici degli ultimi anni che porterà a un drastico cambiamento della modo di vivere dell'uomo. Si tratta di una rivoluzione tecnologica simile a quella della microelettronica, iniziata proprio con l'integrazione su silicio del transistor, ma di ordine ampiamente superiore, considerando che il transistor molecolare consiste di pochi atomi e quindi, a parità funzione, è un milione di volte più piccolo di quello tradizionale, cioè, nello stesso spazio occupato da un transistor tradizionale ci possono stare un milione di transistor molecolari. La scala molecolare è la più piccola immaginabile, in quanto prossima alla dimensione atomica, per cui, a parità di dimensione, la scala di integrazione è milioni di volte superiore a quella delle più avanzate tecnologie di integrazione microelettronica (attualmente a 40 nm). Quindi, i dispositivi moletronici potranno essere milioni di volte più piccoli o milioni di volte più capaci o potenti di quelli microelettronici, con inimmaginabili potenzialità applicative.

La prima legge di Moore
È nota a tutti la prima legge di Moore che permette di prevedere con certezza le prestazioni dei processori nel tempo a intervalli di 18/24 mesi. Questa legge di progressione esponenziale della densità di integrazione su silicio dei transistor, enunciata in forma predittiva da Gordon Moore, cofondatore dell'Intel, prevede che il numero di transistor integrabili sull'unità di superfice del silicio raddoppia ogni 18/24 mesi. Tale legge ha dimostrato di essere valida per numerose generazioni di processori. Si tratta di una legge basata sull'osservazione e quindi validata dai fatti e che non tiene conto dei limiti della natura fisica del materiale cui si riferisce, il silicio, e del processo che consente di realizzare l'integrazione microelettronica. La microelettronica non può comunque diventare nanoelettronica in quanto il processo fotolitografico ha un limite intrinseco in quanto la lunghezza d'onda della luce, alle dimensioni subnanometriche, è dello stesso ordine delle dimensioni molecolari, quindi gli errori nel disegnare i transistor sul silicio aumentano esponenzialmente e provocano quindi una resa sempre più scarsa, necessitando in tal modo di processi sempre più sofisticati e  costosi.

La seconda legge di Moore
La legge di Moore è la prima di due leggi che rappresentano le due facce della stessa medaglia. La prima legge è quella ben nota a tutti perché importante nella fase iniziale dello sviluppo della microelettronica. La seconda è in invece meno nota, ma particolarmente significativa in questa fase “terminale” della vita della microelettronica. Già nel 1997 Moore aveva osservato che la logica integrata dei processori (era il tempo dei Pentium) era tanto densa da far facilmente immaginare che sarebbero emersi problemi nelle generazioni successive, perché diventava evidente il raggiungimento di limiti fondamentali. I limiti fondamentali sono proprio di natura geometrica, in quanto addensando sempre più transistor sul silicio si richiedono strumenti sempre più precisi per disegnarli e controlli di qualità sempre più raffinati per selezionarli, cioè costi di produzione sempre più alti. La seconda legge di Moore dice infatti che i costi di produzione dei chip salgono esponenzialmente tanto da raggiungere valori tali da superare i vantaggi dell'aumento della densità di integrazione previsti dalla prima legge. Se un impianto di produzione costa 1 miliardo di euro per la produzione corrente di chip, alla successiva costerà 2 miliardi di euro, poi 4 miliardi di euro, ecc. Il binomio diminuzione dei costi e aumento della velocità non sarà più vero per la microelettronica nel giro di uno, massimo due decenni. Per la microelettronica basata sul silicio la vita è ormai decisamente breve.

Capacità infinita a costo zero
La complessità dell'integrazione microelettronica cresce quasi in maniera esponenziale man mano che la geometria di integrazione si avvicina alle dimensioni subnanometriche, rendendo sempre più difficile soddisfare la legge di Moore (raddoppio della densità di integrazione ogni 18 mesi), in quanto alle dimensioni nanometriche la fotolitografia produce errori di imprecisione sempre più difficilmente controllabili. L'elettronica molecolare utilizza un solo livello di disposizione delle molecole (mono layer) e l'assemblaggio delle molecole è un processo di aggregazione guidata, che non comporta irregolarità ed errori di natura geometrica. La differenza tra il processo di integrazione microelettronica (litografico) e quello di integrazione moletronica è sostanziale. Con un esempio, la differenza sarebbe simile a quella per cui, invece di modellare il tronco di un albero per ottenere una sedia di legno, si faccia crescere l'albero direttamente con la forma della sedia che si vuole ottenere. Le molecole possono condurre corrente e la conduttanza delle molecole può essere variata attraverso campi elettrici, quindi queste possono essere configurate per comportarsi come un circuito Fet (Field Effect Transistor), il circuito elettrico alla base di tutta l'elettronica. Il materiale di base per la realizzazione dei dispositivi elettronici molecolari sono i carbon nanotube, i nanowire e le molecole organiche, tutte strutture di natura molecolare. I carbon nanotube sono degli allotropi del carbonio e si realizzano sotto forma di fogli di grafene arrotolati a forma di tubo. Per realizzarli si utilizzano processi di sintesi a scarica elettrica oppure a deposizione di vapori. Utilizzando questo materiale e una serie di elettrodi vengono assemblati transistor di tipo Fet. I carbon nanotube hanno proprietà eccezionali sotto vari profili. Conducono bene la corrente cole il rame, ma sono resistenti come un filo d'acciaio e duri come un diamante. I nanowire sono fili sottilissimi di spessore dell'ordine dei nanometri. Questi, nella versione a semiconduttore, vengono già utilizzati nell'elettronica e, rispetto ai carbon nanotube, offrono il vantaggio dell'integrabilità con i semiconduttori. Le molecole organiche sono materiale molecolare (polimeri) con capacità conduttive e semiconduttive, adatte quindi ad essere configurate e assemblate per svolgere la funzionalità dei circuiti elettronici.

Densità e autoassemblaggio
Considerando che il transistor è alla base di tutta la microelettronica, l'elettronica molecolare ha quindi tutte le prerogative per diventare una sostituzione uno a uno dell'elettronica basata sul silicio, con ovviamente una serie di incommensurabili vantaggi:
•    densità: in un centimetro cubo si possono integrare fino a 1020 dispositivi elettronici, considerando che ognuno di questi è una singola molecola;
•    autoassemblaggio: strutture complesse possono essere ottenute con metodi di autoassemblaggio su scale dell'ordine dei 10 nm;

Densità e autoassemblaggio, rapportati alla problematica computazionale, rappresentano uno dei più interessanti aspetti di superiorità dell'elettronica molecolare, soprattutto rispetto alla tecnologica computazionale basata sulla larghissima scala di integrazione. L'autoassemblaggio consente di realizzare strutture tridimensionali, difficilmente ottenibili con l'integrazione Vlsi. La densità della moletronica è incommensurabilmente grande rispetto a quella della microelettronica. Si consideri che un processore di ultima generazione richiede l'integrazione di milioni di transistor su un chip e che sulla superfice di un solo transistor si possono posizionare milioni di dispositivi elettronici molecolari, l'ordine di ridimensionamento dalla microelettronica alla moletronica è di un milione di volte, o viceversa la moletronica, sulla stessa superfice di un attuale processore di ultima generazione può integrare un milione di processori (one million-core processor rispetto agli attuali dual-core processor). L'autoassemblaggio è un altro fattore di vantaggio della moletronica sulla microelettronica, di portata talmente grande da essere difficilmente valutabile. Chip particolarmente complessi come i microprocessori richiedono l'interconnessione di milioni di transistor su un cristallo di silicio. Questo viene ottenuto con una trentina di passi fotolitografici che implicano elevatissimi costi e lunghi tempi di produzione. L'autoassemblaggio della moletronica elimina tutti questi passaggi, riducendo l'intero processo di produzione a poche ore. L'autoassemblaggio è proprio dei processi chimici in cui si mescolano una serie di componenti chimici molecolari e, applicando specifiche condizioni, le molecole degli ingredienti si assemblano da soli in schemi ordinati su un substrato. Chiunque potrebbe realizzare assemblaggi di transistor molecolari a casa propria, cosa ovviamente inimmaginabile per i transistor della microelettronica. Inoltre, potendo utilizzare praticamente qualsiasi tipo di substrato (plastica, carta, vetro, ecc.), il campo applicativo si apre a infinite possibilità.

La moletronica applicata
La tecnologia moletronica è già applicata in prodotti particolarmente significativi, come per esempio le memorie. Nantero ha infatti prodotto una memoria, Nram, utilizzando concetti e metodi propri della nanotecnologia. Si tratta di memorie multimegabit (più dense di qualsiasi altra memoria a semiconduttore), veloci, ad elevato grado di affidabilità e a bassissimo consumo. Le Nram sono più veloci delle Ram e allo stesso tempo non volatili come le Flash. Le Nram di Nantero sono realizzate con i carbon nanotube organizzati in film sottile depositato su un substrato.  Queste realizzano la singola cella di memoria tramite carbon nanotube. Le Nram, data la loro natura, si comportano come memorie non volatili.

Dopo le memorie moletroniche,
i processori moletronici

I primi processori moletronici non sono fantascienza. Tra solo una decina di anni sarà possibile disporre di processori realizzati con tecnologia moletronica, fatti cioè di transistor molecolari. Sperimentazioni molto prossime alla caratterizzazione di dispositivi industriali come i processori utilizzabili dei computer sono state condotte da molti importanti protagonisti della microelettronica. Nec, ha per esempio sviluppato un metodo  di posizionamento dei carbon nanotube che permette di operare a velocità ampiamente superiori della attuali Cpu e consumi di potenza ampiamente inferiori, con l'obiettivo di sviluppare chip che possano operare fino a 20 GHz, consumando meno dei processori a più basso consumo esistenti.

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