I primi computer occupavano lo spazio di interi edifici e la loro potenza di calcolo era milioni di volte inferiore a quella dei dispositivi odierni, economici e di piccole dimensioni. Questo stato di cose era dovuto non solo alla scarsa efficienza dei componenti dell'epoca, ma anche al fatto che un singolo elemento di grandi dimensioni poteva gestire un solo compito. Il passo più importante verso la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici fu l'invenzione del circuito integrato.
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Il primo circuito integrato. Quali applicazioni avevano i circuiti più antichi?
Il primo tentativo di creare un circuito integrato fu effettuato alla fine degli anni '40 da Geoffrey Dummer. Sebbene fosse riuscito a creare le basi teoriche per tali soluzioni, non realizzò il circuito stesso. Tuttavia, progetti condotti in modo indipendente da due ricercatori sotto l'egida di due aziende diverse – Jack Kilbie di Texas Instruments e Robert Noyce di Fairchild Semiconductor – ebbero successo.
Il primo ad essere presentato – nel 1958 – fu un circuito creato da Kilby, che è considerato l'ideatore di questa invenzione (42 anni dopo gli fu conferito il Premio Nobel per questo). Il suo involucro conteneva diversi transistor e altri elementi, grazie ai quali poteva svolgere compiti precedentemente distribuiti a molti componenti, e l'alimentazione era comune a tutti. Inizialmente, i circuiti integrati venivano prodotti con uno scopo ben definito. I dispositivi di quel periodo funzionavano, tra gli altri, come flip-flop, amplificatori o sistemi di calcolo (SSI – Small Scale Integration). Con lo sviluppo di questa tecnologia, i circuiti integrati potevano essere utilizzati anche come componenti più complessi: decodificatori, contatori o registri (MSI – Medium Scale Integration).
Microprocessori e circuiti integrati digitali
Un'altra svolta che ha permesso all'elettronica moderna di svilupparsi e raggiungere le capacità attuali è stata la creazione del microprocessore. Il responsabile del suo sviluppo fu Marcian "Ted" Hoff, un ingegnere di Intel. L'Intel 4004, al suo debutto, integrava l'intero processore in un singolo circuito integrato. Sebbene per gli standard odierni fosse un sistema primitivo, segnò l'inizio di una nuova era nella storia dell'informatica. Era dotato di 2.300 transistor e operava su una parola macchina a 4 bit. La frequenza di clock era di soli 740 kHz.
Il passo successivo fu la creazione del microprocessore Intel 8080. Questo processore a 8 bit apparve sul mercato negli anni '70 e trovò numerose applicazioni pratiche. Il progresso accelerò rapidamente a un ritmo esponenziale. Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel, predisse nel 1965 che il numero di transistor nei circuiti integrati sarebbe raddoppiato ogni 18 mesi. La sua previsione, ora nota come Legge di Moore, è ancora valida, sebbene negli ultimi anni questo ritmo sia rallentato a 24 mesi. Oggi l'ingegneria elettrica dispone delle tecnologie per realizzare circuiti composti da miliardi di transistor e le loro capacità sono in costante crescita.
Come è costruito un circuito integrato?
Cos'è esattamente un microprocessore e come è costruito? È costituito da diversi strati di materiali semiconduttori, dielettrici e metallici. La base dell'intera struttura è un sottile strato piatto di silicio, un wafer, su cui vengono applicati gli strati successivi. Il silicio è un materiale importante per la produzione di circuiti integrati grazie alle sue proprietà semiconduttive uniche e alla capacità di operare in un ampio intervallo di temperature.
Il wafer di silicio contiene transistor, che sono l'elemento base del circuito integrato. Si tratta di interruttori miniaturizzati che permettono di controllare il flusso di corrente elettrica. Nei processori moderni, ce ne possono essere anche decine di miliardi.
Il processo di produzione dei circuiti integrati si basa sulla fotolitografia. Dopo aver preparato un wafer di silicio, vi viene applicato un sottile strato di materiale fotosensibile. Quindi, utilizzando la luce ultravioletta e una speciale dima, viene esposta una parte specifica del wafer, secondo uno schema di connessione precedentemente progettato. Le aree esposte del materiale vengono indurite e le restanti vengono rimosse chimicamente. Le parti esposte del wafer vengono quindi incise, il che consente la creazione di strutture appropriate nel semiconduttore.
Il passo successivo consiste nel disporre strati di vari materiali conduttivi e isolanti. Ogni strato ha le sue funzioni specifiche: crea percorsi conduttivi, isola gli elementi l'uno dall'altro o crea strutture di transistor. Il materiale più comunemente utilizzato per creare percorsi conduttivi è il rame, che conduce perfettamente l'elettricità. Nel processo di costruzione dei circuiti integrati, è fondamentale che ogni strato sia applicato con precisione e perfettamente abbinato agli altri, il che richiede grande precisione.
All'interno del circuito integrato, i transistor sono collegati tra loro tramite percorsi metallici che conducono segnali elettrici. Questi devono essere attentamente progettati e realizzati: da questo dipendono l'efficienza e l'affidabilità dell'intero sistema. I processori moderni hanno miliardi di connessioni, il che ne complica notevolmente la costruzione. I percorsi metallici vengono applicati nel processo di fotolitografia, analogamente ad altri elementi del sistema. Ogni strato di percorsi è isolato dal precedente utilizzando materiali dielettrici, il che impedisce cortocircuiti.
Tipi base di circuiti integrati
A seconda del tipo di segnali elaborati, esistono due tipi di sistemi digitali. Il primo è costituito dai circuiti integrati digitali, che sono il tipo più comune di circuiti integrati e operano con segnali binari (con valori 0 e 1). Sono utilizzati in operazioni logiche e aritmetiche. Sistemi di questo tipo sono alla base dei processori dei computer e di molti altri sistemi di controllo e sono comunemente utilizzati nelle infrastrutture IT .
Il secondo tipo è costituito dai circuiti integrati analogici progettati per segnali analogici continui. Questi segnali possono assumere qualsiasi valore entro un intervallo specificato. I circuiti analogici sono spesso utilizzati nei sistemi di comunicazione e audio. Le loro tipologie principali sono amplificatori operazionali, oscillatori, convertitori analogico-digitali (ADC) e convertitori digitale-analogico (DAC) e chip di memoria.
Principio di funzionamento dei circuiti integrati
I circuiti integrati sono il fondamento di tutti i dispositivi elettronici moderni. Questa tecnologia ha permesso di miniaturizzare le apparecchiature e di aumentarne notevolmente l'efficienza. La varietà delle loro tipologie e la capacità di ogni singolo tipo di elaborare segnali sia digitali che analogici fa sì che i computer e i controller prodotti oggi siano in grado di svolgere compiti complessi. Le loro capacità, grazie al crescente numero di transistor, crescono di anno in anno, il che ci consente di realizzare progetti che solo pochi decenni fa erano fantascienza. Il futuro del settore porterà sicuramente innovazioni ancora maggiori, e questo nei prossimi anni.