I semiconduttori sono una parte fondamentale di quasi tutti i dispositivi elettronici moderni e la stragrande maggioranza dei semiconduttori è prodotta a Tawain. Le crescenti preoccupazioni sulla dipendenza da Taiwain per i semiconduttori, soprattutto data la tenue relazione tra Taiwan e la Cina, hanno portato il Congresso degli Stati Uniti ad approvare il CHIPS and Science act alla fine di luglio 2022. L'atto fornisce oltre 50 miliardi di dollari di sussidi per aumentare i semiconduttori statunitensi produzione ed è stato ampiamente trattato nelle notizie. Trevor Thornton, un ingegnere elettrico che studia i semiconduttori, spiega cosa sono questi dispositivi e come sono fatti.

1. Che cos'è un semiconduttore?

In generale, il termine semiconduttore si riferisce a un materiale, come il silicio, che può condurre l'elettricità molto meglio di un isolante come il vetro, ma non così come i metalli come il rame o l'alluminio. Ma quando le persone oggi parlano di semiconduttori, di solito si riferiscono a chip semiconduttori.

Questi chip sono in genere costituiti da sottili fette di silicio con componenti complessi disposti su di essi secondo schemi specifici. Questi schemi controllano il flusso di corrente utilizzando interruttori elettrici, chiamati transistor, più o meno allo stesso modo in cui controlli la corrente elettrica in casa premendo un interruttore per accendere una luce.

La differenza tra la tua casa e un chip a semiconduttore è che gli interruttori a semiconduttore sono completamente elettrici, nessun componente meccanico da capovolgere, e i chip contengono decine di miliardi di interruttori in un'area non molto più grande delle dimensioni di un'unghia.

2. Cosa fanno i semiconduttori?

I semiconduttori sono il modo in cui i dispositivi elettronici elaborano, archiviano e ricevono informazioni. Ad esempio, i chip di memoria memorizzano dati e software come codice binario, i chip digitali manipolano i dati in base alle istruzioni del software e i chip wireless ricevono dati da trasmettitori radio ad alta frequenza e li convertono in segnali elettrici. Questi diversi chip lavorano insieme sotto il controllo del software. Diverse applicazioni software svolgono compiti molto diversi, ma funzionano tutte commutando i transistor che controllano la corrente.

3. Come si costruisce un chip semiconduttore?

Il punto di partenza per la stragrande maggioranza dei semiconduttori è una sottile fetta di silicio chiamata wafer. I wafer di oggi hanno le dimensioni di piatti piani e sono tagliati da singoli cristalli di silicio. I produttori aggiungono elementi come fosforo e boro in uno strato sottile sulla superficie del silicio per aumentare la conduttività del chip. È in questo strato superficiale che vengono realizzati gli interruttori a transistor.

I transistor sono costruiti aggiungendo sottili strati di metalli conduttivi, isolanti e altro silicio all'intero wafer, disegnando modelli su questi strati utilizzando un complicato processo chiamato litografia e quindi rimuovendo selettivamente questi strati utilizzando plasmi controllati da computer di gas altamente reattivi per lasciare modelli e strutture specifiche. Poiché i transistor sono così piccoli, è molto più facile aggiungere materiali a strati e quindi rimuovere con cura il materiale indesiderato che posizionare linee di metallo o isolanti microscopicamente sottili direttamente sul chip. Deponendo, modellando e incidendo strati di materiali diversi decine di volte, i produttori di semiconduttori possono creare chip con decine di miliardi di transistor per pollice quadrato.

4. In che modo le chips di oggi sono diverse dalle chips iniziali?

Ci sono molte differenze, ma la più importante è probabilmente l'aumento del numero di transistor per chip.

Tra le prime applicazioni commerciali per i chip a semiconduttore c'erano le calcolatrici tascabili, che divennero ampiamente disponibili negli anni '70. Questi primi chip contenevano alcune migliaia di transistor. Nel 1989 Intel ha introdotto i primi semiconduttori a superare il milione di transistor su un singolo chip. Oggi i chip più grandi contengono più di 50 miliardi di transistor. Questa tendenza è descritta dalla cosiddetta legge di Moore, secondo la quale il numero di transistor su un chip raddoppierà circa ogni 18 mesi.

La legge di Moore ha resistito per cinque decenni. Ma negli ultimi anni, l'industria dei semiconduttori ha dovuto superare grandi sfide, principalmente come continuare a ridurre le dimensioni dei transistor, per continuare questo ritmo di avanzamento.

Una soluzione era passare da strati piatti e bidimensionali a strati tridimensionali con creste di silicio a forma di pinna che sporgono sopra la superficie. Questi chip 3D hanno aumentato significativamente il numero di transistor su un chip e ora sono ampiamente utilizzati, ma sono anche molto più difficili da produrre.

5. Chip più complicati richiedono fabbriche più sofisticate?

In poche parole, sì, più complicato è il chip, più complicata e costosa è la fabbrica.

C'è stato un tempo in cui quasi tutte le società di semiconduttori statunitensi costruivano e mantenevano le proprie fabbriche. Ma oggi la costruzione di una nuova fonderia può costare più di 10 miliardi di dollari. Solo le aziende più grandi possono permettersi questo tipo di investimento. Invece, la maggior parte delle aziende di semiconduttori invia i propri progetti a fonderie indipendenti per la produzione. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. e GlobalFoundries, con sede a New York, sono due esempi di fonderie multinazionali che costruiscono chip per altre società. Hanno l'esperienza e le economie di scala per investire nella tecnologia estremamente costosa necessaria per produrre semiconduttori di prossima generazione.

Ironia della sorte, mentre il transistor e il chip per semiconduttori sono stati inventati negli Stati Uniti, non ci sono attualmente fonderie di semiconduttori all'avanguardia sul suolo americano. Gli Stati Uniti sono già stati qui negli anni '80, quando si temeva che il Giappone avrebbe dominato il business globale della memoria. Ma con la legge CHIPS appena approvata, il Congresso ha fornito gli incentivi e le opportunità per la produzione di semiconduttori di prossima generazione negli Stati Uniti

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Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.