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Superchip di Motorola
Mentre era sdraiato sulla spiaggia durante una vacanza sulla costa spagnola nel 1999, il fisico Jamal Ramdani ha avuto un'illuminazione. Mentre la sabbia si adattava ai contorni del suo corpo, Ramdani, un ricercatore dei Motorola Labs di Tempe, AZ, ha improvvisamente immaginato una soluzione a un enigma che aveva perplesso l'industria dei semiconduttori per 30 anni: come combinare il silicio economico con l'alta velocità, materiali semiconduttori che emettono luce ma molto più costosi come l'arseniuro di gallio, il tutto su un singolo wafer.
Poiché i materiali non sono fisicamente corrispondenti, è stato praticamente impossibile sovrapporre uno sopra l'altro per produrre un chip con proprietà elettroniche e ottiche ottimali. Potrebbe essere stata la sabbia su quella spiaggia spagnola, che è fatta dello stesso minerale da cui derivano i wafer di silicio, a fornire a Ramdani l'accenno fondamentale. In ogni caso, ricorda Ramdani, sono tornato a Phoenix, ho preso in prestito una macchina per coltivare semiconduttori composti e in due o tre colpi abbiamo avuto l'arseniuro di gallio sul silicio.
I vantaggi di avere la funzionalità dell'arseniuro di gallio, in particolare la sua capacità di gestire le comunicazioni wireless ed emettere luce su un chip di silicio poco costoso, non sono stati persi per i dirigenti Motorola. I chip ad alte prestazioni realizzati con arseniuro di gallio e altri cosiddetti semiconduttori composti sono ampiamente utilizzati in qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari agli interruttori nelle reti di comunicazione ottica. Per lo meno, l'invenzione di Ramdani potrebbe significare sostituire questi costosi chip con quelli molto meno costosi di arseniuro di gallio su silicio. Nei due anni trascorsi dalla svolta di Ramdani, Motorola ha depositato oltre 300 brevetti sulla tecnologia; lo scorso autunno, la società ha utilizzato il metodo di Ramdani per costruire prototipi di chip per aumentare i segnali nei telefoni cellulari. Per commercializzare il nuovo materiale, Motorola ha avviato una consociata interamente controllata, Thoughtbeam, ad Austin, TX, promettendo che i nuovi materiali troveranno la loro strada nei dispositivi elettronici e ottici entro i prossimi due anni.
L'impatto della tecnologia dei chip Motorola potrebbe andare ben oltre i telefoni cellulari o i dispositivi ottici più economici. Oggi, se vuoi un microprocessore veloce ed economico, hai bisogno di un chip di silicio; se vuoi un chip per gestire funzioni ottiche o segnali radio ad alta frequenza, hai bisogno di semiconduttori composti come l'arseniuro di gallio o il fosfuro di indio. Di conseguenza, apparecchiature come telefoni cellulari e switch di rete di comunicazione richiedono più dispositivi a semiconduttore. Alla fine, prevedono alcuni esperti, la tecnologia Motorola potrebbe consentire di integrare le funzioni dell'arseniuro di gallio e del silicio su un unico chip, utilizzando ciascuno dei materiali per ciò che gli riesce meglio. Il risultato sarebbe un superchip. Invece di avere più chip in un lettore DVD che svolgono compiti diversi - generazione di luce per leggere il disco, ricezione di input dagli spettatori, decodifica di dati digitali in immagini e suoni - un singolo chip potrebbe gestire tutto.
L'industria dei semiconduttori sogna da decenni un simile superchip e un certo numero di ricercatori sta attivamente perseguendo questo sogno. Ad esempio, Eugene Fitzgerald, scienziato dei materiali al MIT, ha lavorato sul problema per oltre un decennio e ha pubblicato le descrizioni della sua tecnica per coltivare l'arseniuro di gallio sul silicio. Lui e molti altri scettici si chiedono se la tecnologia Motorola si rivelerà un grande slam. Ogni pochi anni, c'è una cosiddetta soluzione, ma a un esame più attento, si vede che non lo è affatto, dice Fitzgerald.
Altri, tuttavia, sono così impressionati dal potenziale della svolta di Ramdani che credono che la tecnologia potrebbe cambiare radicalmente le dinamiche dell'attività di produzione di chip, colmando finalmente il divario tra i materiali tra silicio e semiconduttori composti che è diventato un fatto fondamentale nel settore. Secondo Steve Cullen, direttore e principale analista dei servizi di ricerca sui semiconduttori presso il Cahners In-Stat Group, il progresso di Motorola potrebbe passare alla storia come un importante punto di svolta per l'industria dei semiconduttori.
Cugini di silicio
Il silicio è il materiale di scelta per la stragrande maggioranza dei chip utilizzati nelle applicazioni di microelaborazione; è facile da maneggiare e i produttori hanno imparato a intagliarci dentro i minuscoli circuiti che rendono possibili i computer veloci ed economici di oggi. Ma nonostante tutta la sua celebrità, il silicio non può eguagliare le capacità wireless e ottiche di semiconduttori più costosi come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio.
Questi materiali sono chiamati semiconduttori composti perché i loro cristalli, a differenza del silicio, sono composti da più di un elemento. Questa composizione più complessa spesso conferisce loro tratti fisici desiderabili. Ad esempio, poiché gli elettroni viaggiano più velocemente in molti semiconduttori composti, i materiali possono elaborare segnali radio a frequenza più elevata e quindi grandi quantità di dati, che è proprio ciò di cui hai bisogno se vuoi, ad esempio, dispositivi wireless portatili in grado di ricevere flussi video senza interruzioni .
E a differenza del silicio, molti di questi semiconduttori composti possono emettere raggi di luce se alimentati solo con un po' di corrente elettrica. Ciò rende possibili i laser a stato solido in grado di leggere i piccoli frammenti di informazioni densamente confezionati su un CD o un DVD. Le reti di comunicazione ottica ad alta velocità si basano anche su semiconduttori composti per convertire le informazioni ottiche in informazioni elettroniche e viceversa, nelle migliaia di punti in cui le fibre ottiche incontrano interruttori elettronici e computer.
Tuttavia, la stessa complessità che rende i semiconduttori composti così utili li rende anche fragili, difficili da sintetizzare, difficili da integrare con altri materiali e molto costosi. Al momento, un wafer di arseniuro di gallio da 15 centimetri costa circa 300 dollari, mentre un wafer di silicio da 20 centimetri può costare circa un decimo. La svolta di Ramdani prevede un modo per depositare una patina di arseniuro di gallio sopra un wafer di silicio standard. Lo strato superiore di arseniuro di gallio fornisce tutte le capacità uniche di quel materiale, ma metterlo su un substrato di silicio lo rende molto più facile da maneggiare e più economico da produrre.
A prima vista, la procedura sembra semplice come spalmare del burro di arachidi sopra una fetta di pane. Ma in pratica, è molto più complicato. Il problema fondamentale, afferma Fitzgerald, è che le strutture cristalline sottostanti di silicio e arseniuro di gallio sono così diverse che sovrapporre l'una sull'altra è come impilare i pompelmi su un letto di arance. Ottieni disadattati e spazi extra, dice Fitzgerald. Questi difetti nel cristallo tendono a bloccare gli elettroni, interrompendo le funzioni dei dispositivi a semiconduttore.
Finora, il problema del disallineamento ha sconfitto praticamente chiunque abbia mai tentato di produrre wafer di arseniuro di gallio su silicio. Ciò aiuta a spiegare perché molti ricercatori di aziende come IBM e la startup di tecnologia dei semiconduttori AmberWave Systems di Salem, NH, stanno perseguendo un approccio alternativo a semiconduttori più versatili e potenti: modificare il silicio in modo che si comporti più come i suoi cugini più fantasiosi. In questo modo, ottengono i vantaggi in termini di costi derivanti dall'utilizzo dell'infrastruttura vecchia di 50 anni della tecnologia di produzione del silicio e tuttavia si avvicinano alle prestazioni dei semiconduttori composti.
AmberWave Systems, cofondata da Fitzgerald del MIT, ha sviluppato una forma di cristallo di silicio teso in cui gli elettroni si muovono più velocemente rispetto al silicio normale. Il materiale rende possibili transistor più veloci e ciò significa, ad esempio, processori di segnali radio a frequenza più elevata. I ricercatori coltivano uno strato di una lega di silicio-germanio sopra un wafer di silicio e poi ricoprono la lega con un sottile strato di silicio. Poiché le distanze tra gli atomi nel cristallo di silicio-germanio sono più lunghe che nel silicio, gli atomi di silicio nello strato superiore devono allungarsi per abbinare gli spazi tra gli atomi nel silicio-germanio sottostante. Quando gli atomi di silicio sono più distanti, gli elettroni si muovono più liberamente, quindi più velocemente.
In effetti, questo piccolo pezzo di ingegneria del cristallo ha prodotto campioni in cui gli elettroni si muovono fino all'80% più velocemente di quanto non facciano nei normali wafer di silicio. Entro il prossimo anno, AmberWave spera di vedere i dispositivi realizzati con questo materiale arrivare sul mercato: i microprocessori, ad esempio, oi chip per l'amplificazione del segnale nei telefoni cellulari.
Superchip ingredienti
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| I ricercatori Motorola sognano un giorno di fabbricare chip multiuso (sopra) con dispositivi ottici e wireless integrati realizzati in arseniuro di gallio e un microprocessore ricavato dal substrato di silicio esposto. L'azienda spera di realizzare quel sogno con la sua nuova tecnologia. Uno strato interno, composto da biossido di silicio e titanato di stronzio, fornisce un ponte molecolare tra le diverse dimensioni dei cristalli di silicio e arseniuro di gallio. (Illustrazione di Slim Films) Visioni di vacanza Modificare il silicio potrebbe renderlo più veloce, ma per le capacità ottiche hai ancora bisogno di semiconduttori composti. Mentre un certo numero di ricercatori sta cercando di coltivare semiconduttori composti su silicio, Motorola ritiene di avere un vantaggio nella corsa alla commercializzazione della tecnologia, grazie sia a Ramdani che alla consolidata infrastruttura di produzione e marketing dell'azienda. La storia della svolta di Ramdani in realtà inizia almeno un anno prima della sua fatidica vacanza spagnola. Ramdani faceva parte di un gruppo di ricerca Motorola che cercava di produrre silicio più velocemente quando ha fatto una scoperta accidentale che avrebbe portato al progetto arseniuro di gallio su silicio. A quel tempo, lui e i suoi colleghi si stavano concentrando sul sottile strato di biossido di silicio simile al vetro che si forma sopra il silicio quando è esposto all'ossigeno durante la lavorazione del chip. Questo strato, noto come dielettrico, è un componente del chip vitale perché consente a un transistor di controllare lo stato elettrico di un altro, impedendo la dispersione di elettroni tra di loro. Ma man mano che i transistor diventano più piccoli e questo strato si assottiglia, diventa più soggetto a perdite di elettroni. Per risolvere questo problema, Ramdani e i suoi colleghi Ravi Droopad e Jimmy Yu stavano sperimentando un'alternativa al biossido di silicio, il titanato di stronzio, che potrebbe migliorare le prestazioni dei chip a base di silicio. Tuttavia, mentre i ricercatori Motorola depositavano un soffio di titanato di stronzio su una superficie di silicio, si è formato uno strato intermedio di biossido di silicio. Era come coprire inavvertitamente una finestra con uno strato di vernice nera quando tutto ciò che volevi fare era tingerla leggermente. E poi, Ramdani ha visitato quella spiaggia spagnola. Mentre si rilassava sulla sabbia, si rese conto che lo strato di biossido di silicio, insieme al titanato di stronzio, poteva servire a uno scopo molto più ampio di quanto avesse originariamente immaginato: strati intermedi che, quando inseriti tra silicio e arseniuro di gallio, potevano riconciliare la discrepanza cristallina tra i due semiconduttori. Questo perché le distanze tra gli atomi nel titanato di stronzio, quando si trovano sopra lo strato di biossido di silicio che si forma al di sotto di esso, sono più lunghe di quelle del silicio ma più corte di quelle dell'arseniuro di gallio. Infatti, è il biossido di silicio che fa sì che gli atomi nel titanato di stronzio si rilassino completamente e assumano una configurazione più in linea con quella degli atomi di arseniuro di gallio sopra. Pochi giorni dopo il ritorno dalle sue vacanze, Ramdani e il suo team di ingegneri sono riusciti a far crescere l'arseniuro di gallio sul silicio utilizzando questi strati interposti (vedi Ingredienti Superchip) . Interesse composto Mentre i ricercatori Motorola raffineranno la loro tecnologia nei prossimi anni e impareranno a coltivare altri semiconduttori composti sopra il silicio, le potenziali applicazioni del materiale dovrebbero continuare ad espandersi. Come lo vedono Ramdani e i suoi colleghi, lo stesso tipo di strato interno che usano per sposare l'arseniuro di gallio con il silicio potrebbe essere usato per far crescere il fosfuro di indio o un numero qualsiasi di altri semiconduttori composti ad alte prestazioni sullo stesso substrato di silicio economico. Ciascuno di questi semiconduttori composti ha la propria personalità, la propria velocità e proprietà di emissione di luce. Tale tecnologia potrebbe anche portare a nuovi tipi di dispositivi o applicazioni che in precedenza non erano convenienti. Fonti economiche di chip ad alte prestazioni, ad esempio, potrebbero rendere più facile per i progettisti aggiungere comunicazioni wireless agli elettrodomestici e collegarli a Internet. Visioni di lavatrici che comunicano direttamente con i centri di assistenza quando vanno sul fritz o frigoriferi che richiamano gli ordini di cibo al supermercato potrebbero diventare più economiche da realizzare, se non più desiderabili. Chip più economici per l'emissione di luce e il rilevamento della luce potrebbero cambiare l'economia dei collegamenti in fibra ottica per la connessione diretta a Internet di computer di casa, videocamere e altri gadget domestici. Oltre a ciò, i produttori di chip come Motorola e AmberWave Systems condividono lo stesso sogno tecnologico a lungo termine: un wafer all-in-one. In questa visione, i semiconduttori composti non sono semplicemente stratificati su un substrato di silicio, ma i diversi semiconduttori sono integrati insieme sul chip. Se riusciamo a far crescere un sottile film di arseniuro di gallio sopra wafer di silicio, allora forse possiamo coltivare selettivamente isole di arseniuro di gallio su silicio, afferma Charles Huang, cofondatore e direttore tecnico di Anadigics, un'azienda produttrice di chip con sede a Warren, NJ . Ogni isola avrebbe la propria funzione, ad esempio inviare e ricevere messaggi in modalità wireless o trasmettere dati otticamente al mondo esterno. Tuttavia, la maggior parte del silicio sarebbe disponibile per l'elaborazione o l'archiviazione dei dati. Tali chip dai molti talenti sarebbero, ad esempio, in grado di trasferire otticamente i dati attorno a un microprocessore. In un computer, i dati attualmente si muovono elettronicamente sia all'interno dei chip che tra i chip, ad esempio tra un microprocessore e un chip di memoria, attraverso minuscoli fili che rallentano tutto. I cavi sono il vero collo di bottiglia nei computer, dice Ramdani. Se ogni chip di silicio venisse fornito con i propri laser integrati fatti di semiconduttori composti per lo spostamento dei dati, tali chip funzionerebbero più rapidamente da soli e sarebbero in grado di scambiare maggiori quantità di dati con altri chip più rapidamente. È troppo presto per escludere la possibilità che qualche problema tecnico in agguato invierà il crescente investimento di Motorola nella sua nuova tecnologia nel vasto mucchio di buoni tentativi andati male. Certamente ci sono un certo numero di scettici là fuori ancora non convinti che il superchip dell'azienda sarà mai all'altezza del suo clamore. Tuttavia, nei tre anni trascorsi dall'epifania originale di Ramdani, Motorola si è sempre più impegnata per assicurarsi che la tecnologia mantenga le sue numerose promesse, gettandosi alle spalle il suo notevole peso finanziario e tecnico. In effetti, l'eccitazione di Ramdani per la svolta è lungi dall'essere in calo. Per come la vedo io, questa tecnologia rivoluzionerà l'industria dei semiconduttori, dice. Ci permetterà di fare cose che 20 anni fa potevamo solo sognare di fare. Pompaggio di silicio Un campione di aziende che spingono i limiti dei materiali semiconduttori
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