L’elettronica digitale allo stato solido nasce con le famiglie logiche basate su transistor, inizialmente con tecnologia TTL e successivamente con MOSFET, adottati per ridurre ingombro e consumo energetico. A partire da porte logiche fondamentali come OR, AND e NOT, si sviluppano funzioni sempre più complesse fino alle unità aritmetico-logiche, cuore di CPU, microprocessori e microcontrollori. Di questo parliamo sul numero 289 di Elettronica In.
Evoluzione delle tecnologie MOS
Le memorie e i dispositivi logici condividono la tecnologia MOSFET, che consente l’accumulo e la rimozione di cariche elettriche. Inizialmente, i MOS presentavano limiti legati alla velocità di commutazione, dovuti alla natura capacitiva del gate. Tuttavia, grazie al progresso delle tecnologie dei semiconduttori e della fotolitografia, i MOSFET hanno raggiunto prestazioni comparabili ai transistor bipolari, migliorando al contempo il contenimento dei consumi e la dissipazione termica.
Successivamente, si afferma la tecnologia CMOS, basata su transistor complementari. Questa soluzione consente di ridurre il consumo energetico, che avviene quasi esclusivamente durante la commutazione. Inoltre, il continuo miglioramento dei processi produttivi ha ridotto dimensioni, capacità parassite e tensioni di lavoro, fattori determinanti per la dissipazione di potenza.
Limiti della tecnologia planare e nuove soluzioni
La produzione dei MOSFET avviene tramite tecnologia planare, utilizzando wafer di silicio monocristallino e processi fotolitografici. Questo approccio ha dominato per decenni, permettendo una progressiva riduzione delle dimensioni fino a pochi nanometri.
Tuttavia, la miniaturizzazione ha raggiunto limiti fisici. La riduzione eccessiva delle dimensioni genera dispersioni di corrente e difficoltà nello spegnimento del transistor. Per questo motivo, sono state introdotte architetture tridimensionali come i FinFET, nei quali il gate avvolge il canale su più lati, migliorando il controllo elettrostatico. Questa soluzione consente maggiore velocità di commutazione ed efficienza energetica.
Successivamente, la tecnologia RibbonFET evolve ulteriormente il concetto, avvolgendo il gate attorno a sottili nastri di silicio. Questa configurazione migliora l’elettrostatica del dispositivo e promette un incremento dell’efficienza energetica rispetto ai FinFET.
Architetture multi-chip e chiplet
Con l’aumento della complessità dei microprocessori e del numero di core, diventa impossibile realizzare sistemi avanzati su un singolo chip. Nasce quindi l’architettura multi-chip, che utilizza chiplet separati interconnessi all’interno di un unico package.
Questa soluzione consente maggiore flessibilità progettuale e migliori rese produttive. I chiplet possono essere omogenei o eterogenei e permettono di combinare diverse funzionalità, come core di calcolo, cache e interfacce I/O. Inoltre, tecnologie di packaging avanzate 2D, 2,5D e 3D migliorano la comunicazione tra i chip e riducono la latenza.
Tecnologie avanzate di interconnessione
Per supportare le architetture multi-chip, sono state sviluppate soluzioni innovative. La tecnologia PowerVia introduce interconnessioni posteriori che separano il routing dei segnali dalla distribuzione dell’alimentazione, migliorando prestazioni e utilizzo dell’area del chip.
Inoltre, tecnologie come Foveros Direct 3D ed EMIB consentono l’interconnessione ad alta densità tra chiplet, garantendo elevata larghezza di banda e flessibilità architetturale. Queste soluzioni permettono la realizzazione di sistemi complessi e scalabili all’interno di un unico package.
Dalla miniaturizzazione alla disaggregazione
L’evoluzione della microelettronica ha portato dalla miniaturizzazione dei transistor alla disaggregazione delle architetture. I chip complessi vengono suddivisi in più die, che vengono poi assemblati e interconnessi. Questo approccio consente di superare i limiti della fotolitografia e di realizzare sistemi con elevata densità di calcolo e prestazioni avanzate.
