211service.com
Stampa il tuo prossimo PC
Come Joseph Jacobson ama sottolineare, nonostante tutti i guadagni nelle prestazioni dei chip semiconduttori negli ultimi decenni, un tipico circuito integrato - il cervello dietro il tuo computer - è ancora troppo costoso per la maggior parte delle persone sul pianeta. Guarda come è fatto [un chip], dice, prendendo a pugni l'aria con una mano mentre dirige una presentazione PowerPoint con l'altra. La fabbricazione di un chip logico di alta qualità come il processore Pentium di Intel, sottolinea, richiede due settimane, sette giorni alla settimana, 24 ore al giorno. Le strutture per la fabbricazione di chip come quelle di Intel sono uno strumento da 1,6 miliardi di dollari. E ci sono pochissime persone al mondo che possono toccare questo strumento.
La soluzione di Jacobson: un desktop fab in grado di stampare circuiti direttamente su un substrato, come la plastica, senza le spese e i problemi di un impianto di produzione multimiliardario. Jacobson, capo del Printed PC Group presso il Media Lab del MIT, è già riuscito a stampare transistor rudimentali ma funzionanti utilizzando un inchiostro costituito da particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche. Il nostro obiettivo è seguire la traiettoria presa dal silicio e iniziare a stampare processori con forse diverse centinaia di transistor, passando a migliaia e poi di più, afferma Jacobson. Dovremmo essere in grado di dimostrare un processore molto semplice nei prossimi 12-18 mesi. E prevede che alla fine potrebbero essere possibili chip logici stampati con la velocità e la potenza di un Pentium, rendendo disponibili i microchip per una frazione del tempo e dei costi associati alla produzione convenzionale.
Se la visione di Jacobson diventa realtà, potrebbe cambiare tutto nell'hardware del computer. L'elettronica stampata potrebbe essere abbastanza economica da trovare la sua strada in qualsiasi cosa, dalla carta da parati in grado di visualizzare immagini modificabili a circuiti logici progettati su misura. Una fabbrica di chip su ogni desktop potrebbe far nascere il giorno in cui gli individui scaricheranno l'architettura dei circuiti integrati nel modo in cui scaricano il software oggi. Potrebbe, in breve, trasformare la produzione di hardware in modo molto simile al modo in cui il movimento open source ha cambiato il modo in cui viene scritto il software. In effetti, nella sua versione più visionaria, Jacobson sostiene che la logica stampata potrebbe dare origine a un movimento hardware open source in cui i chip sono progettati su misura tramite Internet e stampati dal consumatore all'incirca nello stesso tempo necessario per stampare una pagina Web. Potresti, dice Jacobson, scaricare il design del chip dal Web, inserire alcune modifiche da un tizio in India, e il dispositivo esplode.
È ora di pranzo nel laboratorio di Jacobson, una stanza senza finestre con grovigli di cavi colorati che pendono dalle pareti e dal soffitto e una fila di cappe chimiche posizionate lungo una parete. L'entusiasmo di Jacobson è contagioso e l'angusto laboratorio è ovviamente il luogo in cui lui e la sua manciata di studenti trascorrono la maggior parte del tempo, anche quando stanno mangiando. Quello che ci interessa è darmi un pezzo di plastica e in pochi secondi ti restituirò un Pentium,' o qualcosa di quella complessità, dice tra un boccone e l'altro. Sono serio su questo. Non più lento di un Pentium; indistinguibile da un Pentium.
Venendo da quasi chiunque altro, un'affermazione del genere sarebbe difficile da digerire. Ma il professore associato di 35 anni ha le credenziali per consegnare la merce. Dopotutto, quando Jacobson si è unito al Media Lab nel 1996, la sua ambizione immediata sembrava quasi altrettanto stravagante. Volevo avere uno schermo [schermo] che potesse essere stampato, ricorda Jacobson. Volevo qualcosa che fosse incredibilmente economico, qualcosa che sembrasse inchiostro su carta. Qualcosa, in altre parole, come la carta elettronica.
La sua soluzione era un riff sulla ricerca condotta presso lo Xerox Palo Alto Research Center (PARC) negli anni '70, dove i ricercatori avevano creato sfere microscopiche nere sopra e bianche sotto. Una carica elettrica determinava quale lato delle sfere ruotava verso l'alto. Con un cablaggio intelligente, le palline potrebbero essere fatte per formare lettere e parole. Jacobson e una manciata di studenti del MIT hanno spinto l'idea in nuove direzioni. Invece di creare palline di due colori, hanno fabbricato milioni di minuscole microcapsule, ciascuna contenente una miscela liquida di olio, colorante scuro e minuscoli frammenti di pigmento bianco. Hanno quindi stratificato il materiale su plastica flessibile e lo hanno inserito tra elettrodi trasparenti sopra e sotto. A seconda della carica applicata, i frammenti bianchi migrano verso la parte superiore o inferiore della sfera e, quando attivati di concerto, gli elettrodi possono forzare l'inchiostro in schemi riconoscibili.
Il resto è roba da leggende di startup venture. E Ink è stata costituita nel 1997 con molti studenti di Jacobson al timone e da allora ha raccolto quasi $ 55 milioni in finanziamenti privati, stringendo accordi con artisti del calibro di Motorola e Hearst Publishing. I media e gli esperti allo stesso modo hanno proclamato la tecnologia come la fine della carta come la conosciamo. Ma ciò che si è perso in tutto il ronzio sulla carta elettronica è che hai ancora bisogno dell'elettronica per guidare i pixel (l'inchiostro) dei display. I prototipi realizzati finora da E Ink continuano a fare affidamento su chip di silicio tradizionali (leggi: non economici) per controllare il display. Per sfruttare appieno i vantaggi della tecnologia, sono necessari circuiti elettronici economici e flessibili. E Ink ha recentemente collaborato con Lucent Technologies, i cui ricercatori hanno lavorato su modi per stampare transistor organici su substrati di plastica flessibili. (Le due società sperano di svelare un prototipo funzionante della tecnologia questo autunno.)
Jacobson, tuttavia, ha ambizioni ancora più grandi. Non solo vuole stampare i circuiti elettronici relativamente semplici necessari per controllare uno schermo, vuole fare il passo successivo e trovare un modo per fabbricare una logica di alta qualità sull'ordine di un Pentium usando metodi di stampa simili. Non solo saresti in grado di stampare il tuo schermo; potresti, in un certo senso, stampare il PC stesso, o almeno i suoi circuiti essenziali.
Soluzione inorganica
Realizzare un chip potente come un Pentium con i mezzi tradizionali non è un'impresa facile. Mentre i produttori di semiconduttori come Intel hanno imparato a rendere i transistor sempre più piccoli negli ultimi decenni, spremendo molte più prestazioni nei microprocessori, i meccanismi di base della produzione di chip non sono cambiati molto. Il materiale di base rimane silicio, tagliato a fette sottili. Uno strato isolante di biossido di silicio va sopra il wafer; un sottile strato di fotoresist (un materiale fotosensibile) si deposita sul biossido di silicio. I fasci di luce proiettano il pattern del circuito sul fotoresist tramite uno stencil; il modello viene quindi inciso da acidi o gas reattivi. Vengono aggiunti ulteriori strati di silicio, vengono aggiunti droganti come boro o arsenico e infine i transistor vengono collegati tramite minuscoli fili di alluminio.
I microchip risultanti sono una meraviglia dell'ingegneria e sono in gran parte responsabili dell'alimentazione della rivoluzione dell'informazione. Utilizzando impianti di produzione multimiliardari, Intel e altri possono ora realizzare transistor di poche centinaia di nanometri di diametro (un nanometro è un miliardesimo di metro), confezionandone decine di milioni su un singolo chip. Il rovescio della medaglia è che le diverse centinaia di fasi di produzione richiedono fino a due settimane e richiedono camere bianche centinaia o migliaia di volte più incontaminate rispetto a un laboratorio medio.
Lo scorso autunno, Jacobson e il suo studente Brent Ridley hanno descritto sulla rivista Science i primi transistor inorganici stampati. Diversi altri gruppi di ricerca, in particolare presso i Bell Labs di Lucent e l'Università di Cambridge in Gran Bretagna, hanno anche stampato transistor. Questi gruppi, tuttavia, utilizzano polimeri organici; tali materiali potrebbero avere grandi promesse nell'elettronica necessaria per realizzare display economici e flessibili. Ma i transistor organici sembrano essere intrinsecamente limitati nella velocità di calcolo. La grande svolta di Jacobson è che lui e i suoi colleghi del Media Lab hanno creato sospensioni liquide di semiconduttori inorganici, la stessa classe di materiali utilizzati nel chip Pentium, in modo che possano essere utilizzati in un processo di stampa. In altre parole, piuttosto che intagliare la logica in un solido pezzo di silicio, Jacobson lo sta semplicemente stampando su un substrato.
L'ottimismo di Jacobson è giustificato dai rapidi progressi del suo gruppo nella sintesi dell'inchiostro a semiconduttore. In condizioni normali, materiali semiconduttori come silicio, seleniuro di cadmio e arseniuro di gallio formano cristalli sfusi con punti di fusione ben superiori a 1000 C. Jacobson e il suo team, tuttavia, hanno trovato un modo per sintetizzare una soluzione di minuscoli nanocristalli di 100 atomi o meno. Questo inchiostro a semiconduttore può essere modellato o stampato su una varietà di substrati, inclusi sottili fogli di plastica, a temperature inferiori a 300 C. Le particelle, osserva Jacobson, sono abbastanza piccole da formare strutture di 200 nanometri, circa la scala di complessi circuiti integrati come Il chip Pentium di Intel.
La sospensione delle nanoparticelle è così simile agli inchiostri convenzionali che Jacobson e i suoi collaboratori sono in grado di utilizzare una stampante a getto d'inchiostro prodotta da Hitachi per fabbricare minuscole macchine chiamate MEMS, o sistemi microelettromeccanici. MEMS, che rappresentano una delle nuove aree in più rapida crescita nella tecnologia dei materiali ( vedere Che la Micro Force sia con te , TR settembre/ottobre 1999 ), sono in genere realizzati utilizzando molte delle stesse tecniche difficili utilizzate per fabbricare microchip di silicio convenzionali. Utilizzando la stampante a getto d'inchiostro, Jacobson ei suoi studenti sono riusciti a creare sia un attuatore termico funzionante che un motore lineare con caratteristiche dell'ordine di 100 micrometri semplicemente depositando centinaia di strati di inchiostro. E sono in grado di formare le minuscole macchine senza camera bianca e a temperature ben al di sotto dei 300 C.
Il gruppo ha anche utilizzato la stampante a getto d'inchiostro per produrre tag di identificazione a radiofrequenza molto più intelligenti. Anche altri stanno lavorando su tali tag, ma si affidano alla logica che utilizza transistor organici. Jacobson pensa che la logica più veloce possibile con gli inorganici possa rendere la sua versione dei tag molto più intelligente, consentendo alle aziende di tenere traccia di tutto, dalle merci costose alle confezioni in un supermercato. Un rilevatore di segnali radio potrebbe leggere i dispositivi, aggiornarli e integrarli nei sistemi di inventario. Una persona potrebbe entrare in un supermercato, prendere alcuni articoli e andarsene, e il denaro verrebbe automaticamente conteggiato e detratto dal suo conto in banca e dal sistema di inventario del supermercato.
Usare circuiti stampati in questo modo è solo l'inizio. Poiché la logica del computer è stampata, può essere applicata sulla superficie di quasi tutto: etichette per lattine di zuppa, tessuti, lattine di bibite. Potresti aggiungere intelligenza a quasi tutto ciò che vuoi, afferma Colin Bulthaup, uno degli studenti di Jacobson. Una cosa che vogliamo fare è costruire una fotocamera digitale in un biglietto da visita: tutto incorporato nel biglietto stesso. Non c'è motivo di avere tutti questi goffi chip di silicio. Puoi modellare il tuo semiconduttore, il tuo fotorilevatore - tutti i materiali insieme - e integrarli in un unico dispositivo, uno che è incredibilmente piccolo, incredibilmente economico e incredibilmente veloce da produrre.
Realizzare tali dispositivi utilizzando una stampante a getto d'inchiostro, tuttavia, è ancora ben lontano dalla stampa di circuiti logici di alta qualità. Ciò richiede la fabbricazione di transistor e altri componenti elettronici su una scala di poche centinaia di nanometri, il livello di precisione in un chip Pentium. Per questo, Jacobson ha utilizzato timbri polimerici che non sembrano molto diversi dai timbri usati per certificare i documenti. In una versione, il timbro ha l'architettura del circuito in rilievo positivo ed è immerso nell'inchiostro a nanoparticelle; il circuito viene quindi trasferito manualmente su un substrato. Promettente è anche un timbro negativo che imprime un sottile strato di inchiostro precedentemente depositato su una superficie di plastica. Le caratteristiche del timbro spingono da parte l'inchiostro in determinati punti, formando qualunque caratteristica sia incisa sul timbro a risoluzioni di 200 nanometri.
Sfida Pentium
Questa è tutta una visione potente e attraente. Ma l'elettronica stampata può effettivamente competere con fab multimiliardari nel realizzare i circuiti precisi necessari per una logica di alta qualità? Sigurd Wagner, per esempio, non la pensa così. Professore di ingegneria elettrica all'Università di Princeton, Wagner sta anche portando avanti la ricerca sulla logica inorganica stampata, ma vede la sua promessa nell'elettronica a basso costo che può essere utilizzata su grandi superfici, non nell'affrontare microprocessori di alta qualità.
Il suo obiettivo, afferma Wagner, non è competere con la tecnologia dei circuiti integrati; è andare in un'area che i circuiti integrati tradizionali non possono gestire. Le applicazioni interessanti includono la carta da parati che si comporta come uno schermo gigante, l'elettronica intrecciata nei tessuti, persino la pelle elettronica che copre un aereo che è in grado di rispondere meccanicamente alle mutevoli condizioni.
Jacobson concorda sul fatto che il vantaggio a breve termine verrà dalla produzione dell'elettronica economica e flessibile che potrebbe rendere possibili tali applicazioni. C'è un numero enorme di applicazioni per logica usa e getta incredibilmente economica e a bassa potenza su substrati di plastica, dice. E per ora, i circuiti stampati di Jacobson sono più adatti a questi usi. Per prima cosa, sono ancora troppo lenti per applicazioni logiche avanzate; mentre i transistor inorganici di Jacobson sono un ordine di grandezza più veloci dei transistor organici stampati realizzati da Lucent e altri gruppi di ricerca, sono ancora 100 volte più lenti dei migliori transistor inorganici realizzati con tecniche convenzionali.
Ma realizzare i chip Pentium di domani su un desktop favoloso rimane lo scintillio negli occhi di Jacobson. Ciò richiederà di aumentare la velocità della logica inorganica stampata. È probabile che sia un progetto di ricerca di diversi anni, dice, ma crediamo che sia fattibile.
È proprio il tipo di sfida e progetto estremamente ambizioso che Jacobson apprezza. È il tipo di progetto che ti fa ripensare alle possibilità di un oggetto molto familiare. Con E Ink, sta dando una nuova svolta a un'invenzione molto antica: la pagina stampata. Piuttosto che buttare via il giornale, Jacobson vuole preservare le sue virtù mentre lo aggiorna per l'era dell'informazione. E ora sta ripensando alla fabbricazione dei circuiti integrati. Se Jacobson può rendere pratiche le sue visioni dei circuiti stampati, potrebbe cambiare il significato dell'hardware e sostituire la fabbrica di semiconduttori multimiliardaria con qualcosa di non così diverso dai francobolli che esistono da migliaia di anni.
Mentre il resto dell'industria informatica tenta di abbassare i prezzi dell'hardware attraverso la produzione di massa di pochi chip standardizzati, Jacobson sta andando nella direzione opposta, cercando di rendere ogni persona padrone e produttore della propria logica.