La "Legge di Moore" sta giungendo al termine. I chip fotonici diventeranno il futuro dell'industria elettronica?

"Si prevede che il numero di transistor integrati in un chip raddoppierà ogni 24 mesi." - Credo che tutti conoscano la "Legge di Moore" proposta dal co-fondatore di Intel Gordon Moore. Negli ultimi quattro decenni, il settore IT è stato guidato da questa legge. Tuttavia, con il rallentamento registrato negli ultimi anni nello sviluppo dei chip elettronici tradizionali, la "Legge di Moore" sta gradualmente diventando storia. In futuro, nuovi chip basati sulla tecnologia fotonica potrebbero superare i limiti dei componenti dei circuiti e realizzare computer con velocità di elaborazione più elevate.

La legge di Moore si sta avvicinando al suo limite fisico

Come tutti sappiamo, lo sviluppo dell'industria informatica negli ultimi decenni ha sempre seguito la "Legge di Moore": le dimensioni dei transistor dei circuiti semiconduttori sono diventate sempre più piccole e il numero di transistor che possono essere ospitati su un singolo chip è aumentato sempre di più, raddoppiando ogni 18-24 mesi. L'aumento del numero di transistor significa processori più veloci ed efficienti, ovvero le prestazioni dei prodotti elettronici dello stesso prezzo raddoppieranno ogni 18-24 mesi.

Pertanto, per affermarsi nel settore IT in rapida crescita, i produttori di chip si sono impegnati a sviluppare transistor più piccoli. Le dimensioni dei transistor sono passate dai 100 millimetri del 1907 ai 14 nanometri di oggi. Lo scorso ottobre, un team di ricerca del Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti ha fatto un ulteriore passo avanti e ha sviluppato con successo un transistor con un gate (il componente che controlla la corrente nel transistor) lungo solo 1 nanometro, ovvero più piccolo di una catena di DNA (2,5 nanometri).

Tuttavia, con il continuo sviluppo della tecnologia dei chip, la "Legge di Moore" ha gradualmente incontrato i limiti delle leggi fisiche e ha mostrato segni di "rallentamento" dall'inizio del XXI secolo. Attualmente, le dimensioni dei transistor hanno raggiunto il livello nanometrico e la possibilità di ridurle ulteriormente sta gradualmente diventando più piccola. Lo sviluppo della "Legge di Moore" sembra aver raggiunto il suo limite.

In realtà, anche l'industria dei chip è consapevole del fatto che le dimensioni dei transistor si stanno avvicinando al loro limite inferiore. L'anno scorso, la Semiconductor Industry Association degli Stati Uniti, rappresentata da Intel, AMD e Global Foundries, ha pubblicato un rapporto in cui si afferma che entro il 2021, ridurre le dimensioni dei transistor al silicio non sarà più una soluzione economicamente sostenibile. I chip, invece, cambieranno in un altro modo.

Nuovi chip basati sulla fotonica potrebbero sbloccare questa situazione di stallo

Di recente, i ricercatori hanno gradualmente spostato la loro attenzione dall'aumento del numero di transistor al miglioramento dell'efficienza dei transistor, nella speranza di costruire nuovi chip in grado di elaborare le informazioni in modo più efficiente. "La tecnologia dei chip combinata con la fotonica diventerà il futuro dell'industria elettronica." - hanno affermato gli scienziati rappresentati da Arnab Hazari, scienziato dei materiali presso l'Università del Michigan.

Attualmente, i transistor sfruttano il movimento degli elettroni per trasferire le informazioni. Nel chip, poiché i fotoni non sono influenzati dalla resistenza elettromagnetica, la loro velocità di propagazione è maggiore di quella degli elettroni, arrivando a oltre venti volte. Ciò significa che se i segnali elettronici nei circuiti semiconduttori vengono sostituiti da fotoni, la velocità di elaborazione dei computer può essere aumentata di decine di volte senza modificare le dimensioni del chip. Se si segue la logica della "Legge di Moore", ci vorranno più di una dozzina di anni per raggiungere questo obiettivo.

Negli ultimi anni, anche le innovazioni scientifiche nella ricerca sui chip fotonici hanno confermato la fattibilità di questa soluzione. Alla fine del 2015, un team di ricerca statunitense ha sviluppato il primo chip fotonico al mondo che utilizza i laser per la trasmissione dei dati. Il chip è in grado di elaborare informazioni a una velocità di 300 Gbps per millimetro quadrato, 10 volte più velocemente rispetto ai processori standard esistenti. Ciò dimostra che i chip fotonici hanno un grande potenziale nel migliorare la velocità di elaborazione dei computer.

Inoltre, molte aziende hanno colto l'opportunità di questa trasformazione e si sono unite alla "battaglia" della ricerca e dello sviluppo di nuove tecnologie. Ad esempio, l'azienda britannica Optalysys sta sviluppando computer ad alte prestazioni basati sulla tecnologia fotonica, specificamente per l'elaborazione di dati genomici; mentre l'azienda francese LightOn è impegnata nello sviluppo di sistemi di elaborazione dati basati sulla tecnologia laser.

Tuttavia, la ricerca e lo sviluppo dei chip fotonici sono ancora nelle fasi iniziali. Se la tecnologia deve essere implementata ufficialmente e realmente commercializzata, i ricercatori devono ancora affrontare numerose sfide: come integrare meglio i nuovi chip fotonici con i percorsi elettronici dei computer esistenti, come ottenere una tecnologia di controllo dei fotoni più stabile, ecc.

Arnab Hazari ha concluso che i dispositivi fotonici possono attualmente svolgere meno compiti rispetto ai chip elettronici, sviluppati da decenni. Ma con l'approfondimento della ricerca, i chip fotonici raggiungeranno presto i chip tradizionali e diventeranno la tecnologia fondamentale della nuova generazione di computer.

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