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Uno dei più grossi limiti alla capacità di calcolo dei computer moderni, cioè la differenza tra l'estrema velocità dei processori e la relativa lentezza della memoria RAM, potrebbe presto diventare un lontano ricordo. Gli ingegneri elettronici della Purdue University dell'Indiana, Stati Uniti, hanno infatti trovato un metodo (al momento solo teorico) per far fare due cose ad un solo chip: elaborare dati e memorizzarli.
Da molti anni la differenza di prestazioni tra CPU e RAM è stata affrontata e in parte superata inserendo all'interno delle CPU porzioni sempre più grandi di velocissima memoria "cache". Cioè di memoria ad altissime prestazioni che, però, incide molto sul costo finale del processore. Per questo sono stati creati, nel tempo, diversi livelli di cache all'interno di un processore: quella di primo livello ha prestazioni estreme, ma piccole dimensioni, quella di secondo livello è un po' più grande ma meno veloce e quella di terzo livello è ancora più grande ma ancor meno veloce.
In ogni caso persino la cache di terzo livello è assai più veloce della normale memoria RAM, anche perché è collocata direttamente dentro la CPU e non deve attraversare un bus (una sorta di collettore/smistatore delle informazioni dirette da e verso l'esterno della CPU) che la rallenta. L'approccio degli ingegneri elettronici della Purdue University, invece, è completamente diverso: hanno ideato un nuovo tipo di transistor, in grado di memorizzare i dati oltre che di processarli. Questa novità è stata pubblicata sulla rivista scientifica Nature Electronics e presentata al 2019 IEEE International Electron Devices Meeting di San Francisco il 9 dicembre scorso.
Transistor ferroelettrici
La tecnologia alla base di questi nuovi chip di calcolo e di memoria è quella ferroelettrica. Non si tratta di una novità: le RAM ferroelettriche, dette anche FeRAM, sono un tipo di memoria non volatile (che non perde i dati anche quando l'alimentazione elettrica viene meno) già nota anche se molto poco utilizzata. Il motivo è semplice: nonostante le FeRAM siano centinaia di volte più veloci delle normali DRAM (cioè le memorie RAM normalmente utilizzate sui computer oggi in produzione), è molto difficile far dialogare CPU e FeRAM. O meglio, è difficile trasferire dati da un chip costruito in silicio ad una RAM ferroelettrica. E questo è anche il motivo per il quale le FeRAM non sono state usate come cache delle CPU.
I ricercatori della Purdue sono riusciti a tagliare la testa al toro, ideando un transistor ferroelettrico. CPU e FeRAM, quindi, non sono più di due materiali diversi e scarsamente compatibili tra loro, ma sono composti dello stesso materiale: "Abbiamo usato un semiconduttore che ha proprietà ferroelettriche - spiega Peide Ye, professore che ha coordinato la ricerca - In questo modo due materiali diventano uno solo e non c'è più bisogno di preoccuparsi dell'interfaccia tra i due".
Alfa seleniuro di indio
La soluzione trovata dai ricercatori dell'Indiana sta tutta nel materiale utilizzato per rendere i transistor più simili alle memorie ferroelettriche: l'alfa seleniuro di indio. Questo materiale non solo ha proprietà ferroelettriche, ma risolve anche il problema principale di un materiale ferroelettrico convenzionale, che agisce normalmente come isolante anziché come semiconduttore a causa del cosiddetto "gap di banda": l'elettricità non riesce a passarvi attraverso e il transistor non può avere alcuna capacità computazionale. L'alfa seleniuro di indio ha un "gap di banda" molto più piccolo e, di conseguenza, si comporta da semiconduttore senza perdere le sue proprietà ferroelettriche.
Si costruiscono come i transistor normali
Un secondo, grandissimo vantaggio, di questi transistor all'alfa seleniuro di indio è che possono essere realizzati con attrezzature industriali molto simili a quelle oggi usate per i transistor dei processori attuali. Il ricercatore della Purdue Mengwei Si è riuscito a costruire un primo transistor ferroelettrico e ne ha anche testato le prestazioni. Che sono risultate in linea con le attese e che potrebbero crescere ulteriormente con la successiva ottimizzazione.
Naturalmente i primi chip con transistor ferroelettrici non arriveranno a breve sul mercato, ma questa scoperta della Purdue University (che per realizzare il transistor finale ha collaborato anche con il Georgia Institute of Technology) apre le porte a nuove applicazioni nell'elettronica ad alte prestazioni. Una prima applicazione, attualmente allo studio, è quella di usare i transistor ferroelettrici all'interno di normali processori al silicio per creare una giunzione tra le unità di elaborazione della CPU e una memoria interna ferroelettrica. Le cache di primo livello del futuro, quindi, potrebbero essere, finalmente, ferroelettriche.
