Scenari

Circuiti integrati, ecco macchine e processi necessari per realizzarli

Accesso alle materie prime, supporto a produzione e trasporto: la pandemia ha portato ad una crisi di approvvigionamento dei circuiti integrati, o chip. Il processo litografico, i macchinari, le stime di ripresa

24 Nov 2021
Antonio Cisternino

Università di Pisa

chip - circuiti integrati - decoupling tecnologico

La scarsità di circuiti integrati nel settore automobilistico ha riportato l’attenzione sui processi produttivi dei componenti elettronici, sempre più complessi. L’evoluzione e la disponibilità dei chip determinano lo sviluppo e il funzionamento di interi settori economici. Vediamo come.

La crisi dei chip ora riguarda tutti: quali strategie per l’Ue

Circuiti integrati: chi li ha sviluppati e a che servono

I circuiti integrati, noti anche come microchip o chip, così come li conosciamo oggi sono stati sviluppati dall’italiano Federico Faggin nel 1968 alla Fairchild Semiconductor, ditta fondata da Gordon Moore, fondatore anche di Intel. I chip hanno segnato la crescita esponenziale dei sistemi informatici così come li conosciamo oggi: nel 1965, Moore formulò un’osservazione empirica che è stata poi denominata la legge di Moore, prevedendo che il numero di componenti per circuito integrato sarebbe raddoppiato ogni anno portando ad una crescita esponenziale. Dall’osservazione della crescita del numero di transistor per microprocessore negli ultimi 50 anni, si nota come la “legge” di Moore sia stata seguita nonostante molti si aspettassero un rallentamento della capacità di integrazione dei componenti all’interno dei chip.

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Il transistor è uno dei componenti di base per la realizzazione di porte logiche e di celle di memoria: la capacità di integrare sempre più transistor nello stesso spazio è stato essenziale per la realizzazione di microprocessori sempre più potenti, capaci di svolgere funzioni complesse come quelle a cui siamo abituati oggi. Come si può vedere in figura, i microprocessori server hanno sfiorato la soglia dei 50 miliardi di transistor nel 2020.

La capacità di realizzare circuiti integrati con miliardi di transistor non è però di per sé sufficiente a spiegare la rivoluzione a cui tutti stiamo assistendo: se fare un chip richiedesse ingenti risorse avremmo pochi super computer al mondo, come accadeva negli anni ’60, e invece quello che ha accompagnato la crescita dei circuiti integrati è stata l’ottimizzazione del processo di produzione, con la stampa di milioni di unità a costi così bassi che ormai tutti i dispositivi che utilizziamo fanno uso di più microprocessori per svolgere funzioni sempre più specializzate.

Basti pensare che la mancanza di chip nel settore automobilistico è in parte legata alla transizione verso i veicoli elettrici che richiedono circa 10 volte il numero di microchip per singolo veicolo (in accordo a Ford da 300 a 3000) rendendo più difficile l’approvvigionamento di materiali semiconduttori (ma non solo, anche il litio e altri materiali sono più difficili da reperire).

La scarsa disponibilità non è limitata al solo settore automobilistico: la pandemia ha alterato numerosi cicli produttivi allungando i tempi di consegna di prodotti tecnologici sia per il rallentamento nell’accesso alle materie prime che successivamente per supportare la produzione e il trasporto.

Come si fanno i chip: la litografia

Un circuito integrato viene ottenuto da un processo litografico molto simile a quelli che si studiano a scuola per le stampe, con la differenza che in questo caso uno strato semiconduttore viene inciso ad una scala vicina al miliardesimo di metro.

In effetti, il progressivo miglioramento dei sistemi produttivi ha sostenuto nel tempo la legge di Moore, stampando con sempre maggior precisione componenti sempre più piccoli. Si va infatti dai 10 milionesimi di metro (nanometri) dell’inizio degli anni ’70 ai 90 miliardesimi di metro del 2001 fino ad arrivare ai cinque miliardesimi di metro nel 2020.

Osservando il progresso di miniaturizzazione nel tempo, si potrebbe essere tentati di pensare che si possa progredire in modo indefinito, ma il modo fisico ha i suoi limiti. I circuiti sono alimentati da elettroni che interagiscono a livello atomico. È importante allora ricordare che un nanometro corrisponde a 10 Armstrong ovverosia a solamente dieci volte il raggio di un atomo di fosforo. La miniaturizzazione sta quindi raggiungendo scale atomiche rendendo sempre più difficile progredire: questo non impedisce di realizzare chip di maggior superficie, per continuare, ad esempio, ad incrementare il numero di transistor impiegati.

Il processo di base assomiglia a quello utilizzato per fare i telai usati in serigrafia: una sorgente luminosa interagisce con un sostrato alterandone le proprietà, e con una maschera è possibile “incidere” la superficie usando la luce. Il processo di miniaturizzazione fa uso di lenti per proiettare un reticolo su un wafer di silicio verniciato con un materiale fotosensibile, alterato per “disegnare” i componenti sulla superficie. Un reticolo viene usato come stencil per controllare le porzioni illuminate del wafer.

Quello che rende il processo molto complesso sono le dimensioni in gioco, tutte vicine a scale atomiche, che rendono molto difficile focalizzare la luce assicurando la necessaria precisione perché il circuito risultante funzioni.

Il reticolo di un chip consente di vedere i macro-blocchi che lo costituiscono, inclusi i vari core i registri e la memoria.

chip-circuiti integrati

Il processo litografico stampa più microchip su un singolo wafer, i vari chip vengono poi tagliati e collegati ai connettori che saranno usati per inserirli sui circuiti stampati.

circuiti-integrati-chip

Circuiti integrati: i macchinari per la realizzazione

Come spesso succede in settori molto specialistici vi sono attori sconosciuti al grande pubblico che realizzano macchinari per la creazione dei chip. Non sempre è necessario ricorrere al processo produttivo a 5nm, in molti casi distanze meno estreme possono essere sufficienti per la realizzazione di circuiti integrati con specifiche funzioni, tagliando di conseguenza i costi dovuti all’utilizzo di macchinari estremi.

La ditta olandese ASML è una delle poche che realizzano sistemi di fotolitografia per chip impiegando i raggi ultravioletti (che hanno una lunghezza d’onda inferiore rispetto ad altre bande luminose) nella tecnologia extreme ultraviolet lithography (EUV).

EUV system

Si tratta di macchinari complessi, della dimensione di un autobus, che operano nella più totale assenza di polveri che potrebbero alterare il processo di stampa. Non si tratta di macchinari economici, un apparato per la stampa EUV può costare intorno ai 150 milioni di dollari, e vengono acquisiti da ditte come TSMC, che a loro volta le usano per realizzare chip per compagnie note come nVidia, Apple, Intel e molti altri.

Così come accade in altre industrie, anche nel mondo dei chip è necessaria la stampa in enormi volumi per ammortizzare gli investimenti necessari alla produzione.

Ma come si organizzano 50 miliardi di transistor?

Le macchine litografiche per la stampa dei circuiti integrati sono alla base di processi complessi di design di unità funzionali che vengono “compilate” in schemi elettrici, ottimizzate da software molto complessi per generare il reticolo che viene poi effettivamente utilizzato per la stampa vera e propria.

Ecco, quindi, che sempre più spesso ditte che tradizionalmente non realizzano processori hanno cominciato a disegnare i propri: Apple con i nuovi processori ARM, Microsoft, pare, con un proprio processore e Amazon per realizzare i processori usati su una parte del cloud AWS.

Questo spostamento del design verso compagnie che tradizionalmente compravano chip già pronti per realizzare i propri prodotti è un effetto della grande complessità nel design necessaria per l’organizzazione di così tanti componenti. In questo senso la possibilità di acquisire la licenza delle istruzioni dei processori ARM ha consentito l’allargarsi degli attori che progettano chip scardinando il tradizionale oligopolio di Intel, AMD, e Qualcomm per citarne alcuni.

Conclusioni: la difficoltà di approvvigionamento e le stime di ripresa

La pandemia e l’uso di sempre più microprocessori nella realizzazione non solo di computer ma di praticamente ogni dispositivo alimentato a corrente stanno rendendo sempre più difficile l’approvvigionamento. L’allungarsi dei tempi di consegna può avere conseguenze sia sui cicli produttivi che sui costi delle merci che dipendono da questi elementi sempre più essenziali al funzionamento del nostro mondo.

L’ingegnerizzazione dei macchinari necessari alla produzione può sicuramente contribuire a incrementare la produzione riducendo il gap tra domanda e offerta, ma si stima che il tempo necessario sarà di qualche anno. La tecnologia EUV si stima che sarà in uso per ancora molti anni anche se, come è naturale, sono già allo studio tecniche ancora più raffinate per continuare a miniaturizzare il nostro futuro. Se infatti gli egiziani si sono contraddistinti per la realizzazione di imponenti opere come le piramidi il nostro tempo sta consegnando alla storia l’incredibile microcosmo dei chip.

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