“I dispositivi Beyond CMOS rappresentano tecnologie emergenti dell’elettronica progettate per superare i limiti della tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), attualmente utilizzata per realizzare la quasi totalità dei circuiti integrati digitali, inclusi microprocessori, memorie e sistemi su chip”.
Con questa definizione la Professoressa Elena Gnani, ingegnere elettronico e docente dell’Università di Bologna, ha introdotto in una recente intervista per la Società Italiana di Elettronica il tema dei dispositivi Beyond CMOS, spiegando in che modo queste tecnologie emergenti si differenziano dai tradizionali dispositivi a semiconduttore basati sul silicio.
“I dispositivi Beyond CMOS si differenziano da quelli tradizionali perché esplorano nuovi materiali, nuove architetture di dispositivo e, in alcuni casi, principi di funzionamento diversi rispetto ai transistor CMOS convenzionali basati sul silicio, tecnologia con cui sono realizzati la quasi totalità dei circuiti integrati digitali odierni, tra cui le unità di calcolo (es. CPU, GPU).
Per decenni la progressiva riduzione delle dimensioni dei transistor ha permesso di aumentare le prestazioni e la densità di integrazione dei circuiti elettronici. Oggi, tuttavia, i transistor al silicio hanno raggiunto dimensioni estremamente ridotte, dell’ordine di poche decine di nanometri, un regime in cui emergono limiti fisici e tecnologici che rendono sempre più difficile migliorarne ulteriormente le prestazioni, ridurne i consumi e controllare efficacemente il passaggio della corrente. Il silicio rimane un materiale eccellente per la realizzazione dei transistor perché relativamente economico e dotato di eccellenti proprietà elettroniche. Tuttavia, quando le dimensioni diventano così piccole, non riesce più a garantire prestazioni adeguate. Per questo motivo la ricerca si sta orientando verso nuovi materiali e nuovi meccanismi di trasporto della carica, con l’obiettivo di sviluppare dispositivi che consumino meno energia, dissipino meno calore e continuino a garantire elevate prestazioni anche a dimensioni sempre più ridotte.
Un transistor può essere visto come un interruttore controllato da una tensione. Nei transistor CMOS, applicando una tensione al terminale di gate si modula una barriera di potenziale che regola il passaggio degli elettroni: quando la barriera è sufficientemente alta il transistor è spento, mentre quando viene abbassata la corrente può fluire. Questo comportamento di interruttore è reso possibile dalle proprietà dei materiali semiconduttori, che consentono di controllare il flusso della corrente attraverso il dispositivo. Quando però le dimensioni del dispositivo diventano estremamente ridotte, diventa sempre più difficile controllare questo meccanismo e garantire un’efficace separazione tra lo stato acceso e quello spento. Per questo motivo si stanno studiando dispositivi che sfruttano materiali innovativi e meccanismi di trasporto della carica diversi dal tradizionale trasporto per emissione termoionica al di sopra della barriera di potenziale.”
Oggi, i transistor al silicio sono arrivati a dimensioni così piccole da incontrare limiti fisici fondamentali e diventa sempre più difficile controllare il passaggio degli elettroni.
“Quando si vuole impedire il passaggio della corrente è necessario creare una barriera di potenziale che ostacoli il movimento degli elettroni attraverso il dispositivo. Quando invece il transistor deve entrare in conduzione, questa barriera viene abbassata. Si può immaginare come un ostacolo posto lungo il percorso degli elettroni: modificandone l’altezza mediante una tensione applicata al terminale di gate, è possibile controllare il passaggio della corrente. Esistono però meccanismi alternativi, basati sulla meccanica quantistica, che consentono agli elettroni di attraversare la barriera in modo diverso rispetto ai transistor convenzionali. Tra questi vi è il tunneling quantistico, sfruttato in alcune tecnologie Beyond CMOS per ottenere dispositivi potenzialmente più efficienti dal punto di vista energetico. Per descrivere accuratamente il comportamento di questi dispositivi è necessario ricorrere a modelli di fisica avanzata, in particolare alla meccanica quantistica, che diventa uno strumento essenziale per comprendere e progettare le tecnologie Beyond CMOS. L’obiettivo è sviluppare dispositivi che, grazie a nuovi materiali, nuove architetture e nuovi principi di funzionamento, possano superare alcuni dei limiti delle tecnologie CMOS convenzionali.”.
Parlando proprio di materiali diversi dal silicio convenzionale, la professoressa Gnani ci ha introdotto a un ambito di ricerca particolarmente attivo riguardo ai semiconduttori bidimensionali.
“I semiconduttori bidimensionali sono materiali costituiti da uno o pochi strati atomici. A differenza del silicio cristallino convenzionale, il loro spessore estremamente ridotto conferisce proprietà elettroniche particolarmente interessanti per l’elettronica del futuro. Il grafene è probabilmente il materiale bidimensionale più noto: è costituito da un singolo strato atomico di carbonio e possiede proprietà straordinarie, ma non è adatto alla realizzazione di transistor logici perché la sua struttura elettronica non consente di spegnere efficacemente la corrente. Esistono tuttavia altri semiconduttori bidimensionali che combinano lo spessore atomico con proprietà elettroniche molto promettenti. Grazie a queste caratteristiche è possibile realizzare transistor con un migliore controllo elettrostatico del canale anche quando le dimensioni vengono ulteriormente ridotte, rendendo questi materiali particolarmente interessanti per lo sviluppo delle future tecnologie Beyond CMOS.”
L’interesse verso questi dispositivi nasce soprattutto dalla crescente richiesta di sistemi di calcolo sempre più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico, come quelli impiegati oggi nelle applicazioni di intelligenza artificiale. Le stesse tecnologie trovano poi applicazione in moltissimi altri settori, dai sistemi elettronici per l’auto ai dispositivi elettronici di uso quotidiano. Al momento, tuttavia, queste tecnologie sono ancora prevalentemente in fase di ricerca e sviluppo
“Esistono numerose dimostrazioni sperimentali di transistor Beyond CMOS e di piccoli circuiti dimostrativi realizzati sia da gruppi di ricerca che da grandi aziende, ma non è stata ancora raggiunta una maturità tecnologica sufficiente per la produzione industriale su larga scala. Per questo motivo le unità di calcolo utilizzate oggi continuano a essere realizzate principalmente in silicio. Per molte di queste tecnologie, le principali sfide sono oggi di natura tecnologica più che fisica. I principi fisici alla base di questi dispositivi sono infatti ben compresi, ma manca ancora il livello di maturità tecnologica che il silicio ha raggiunto dopo decenni di sviluppo industriale. Di conseguenza, sebbene queste tecnologie offrano vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza energetica, i dispositivi realizzati finora non hanno ancora raggiunto le prestazioni delle tecnologie CMOS più mature. Uno degli aspetti più critici è la cosiddetta variabilità. Nei dispositivi di dimensioni maggiori, eventuali difetti o variazioni di fabbricazione hanno generalmente un impatto limitato sulle prestazioni. Quando invece le dimensioni diventano estremamente ridotte, anche piccole imperfezioni possono influenzare significativamente il comportamento del singolo transistor. Di conseguenza, i circuiti devono essere progettati in modo da tollerare queste variazioni e garantire comunque le prestazioni desiderate del sistema finale. Questo richiede anche nuove strategie di progettazione circuitale”.
Lo sviluppo dei dispositivi Beyond CMOS rappresenta anche una sfida formativa.
“La ricerca in questo settore richiede competenze interdisciplinari e nuove generazioni di ingegneri elettronici capaci di integrare conoscenze di fisica, elettronica, scienza dei materiali e progettazione dei circuiti. Non basta infatti comprendere il funzionamento del singolo dispositivo; è necessario capire come le sue caratteristiche influenzino il comportamento e le prestazioni dell’intero sistema. Accanto alla formazione di ricercatori e ingegneri con competenze sempre più avanzate, è altrettanto importante avvicinare i giovani all’elettronica, per stimolare interesse verso una disciplina che sarà sempre più centrale per lo sviluppo delle tecnologie del futuro”.
