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Un minuscolo orologio in silicone
Mentre i chip dei computer continuano a ridursi, le dimensioni dei gadget sono ancora limitate, in parte, da pezzi di quarzo relativamente grandi che fungono da pacemaker per i circuiti elettronici. Ma nei prossimi mesi potrebbe esserci un'alternativa meno costosa e più piccola al quarzo. A dicembre, una società con sede a Sunnyvale, in California, SiTime , dovrebbe iniziare a spedire un cronometro a base di silicio che sfida la tecnologia al quarzo di 60 anni.
Gli oscillatori al quarzo sono usati come cronometri praticamente in tutta l'elettronica di oggi, afferma Aaron Partridge, chief technology officer di SiTime, che li chiama il battito cardiaco del sistema. Ogni anno, dice, vengono prodotti circa otto miliardi di cristalli di quarzo, i componenti di un oscillatore che vibrano a una certa frequenza.
Tuttavia, la tecnologia al quarzo si basa su un'industria vecchia di decenni che è cambiata poco da quando sono stati inventati i circuiti integrati. E mentre la fabbricazione del silicio ha consentito ai circuiti integrati di ridursi e acquisire complessità, le tecniche di fabbricazione utilizzate per realizzare i risonatori al quarzo non hanno tenuto il passo in termini di dimensioni.
Usando il silicio invece del quarzo, SiTime è in grado di creare un risonatore con una larghezza di solo un paio di centinaia di micrometri, afferma Partridge, mentre un risonatore al quarzo equivalente ha una larghezza di circa un millimetro. Inoltre, afferma Partridge, i risonatori al silicio sono molto meno costosi da fabbricare.
L'idea di abbandonare gli oscillatori al quarzo per quelli al silicio non è nuova; i ricercatori della Stanford University, dell'Università del Michigan e dell'Università della California, Berkeley, hanno lavorato alla tecnologia per decenni. Per la maggior parte, tuttavia, la qualità di questi sistemi di silicio non ha eguagliato quella del quarzo. Negli ultimi anni, tuttavia, i progressi nella fabbricazione di sistemi microelettronici meccanici (MEMS) hanno reso più pratici gli oscillatori al silicio di alta qualità.
Partridge spiega che i risonatori di SiTime, che sono fatti di silicio a cristallo singolo, si basano su una piccola tensione per mantenere attivo il cuore di un dispositivo. Il risonatore è incapsulato e isolato dall'ambiente. Quando viene applicata una tensione all'oscillatore, il risonatore vibra a una frequenza specifica. Se la massa del risonatore cambia durante la sua vita, perde tempo. Partridge dice che anche una differenza in un singolo strato di atomi può alterare la frequenza. Quindi, gli ingegneri di SiTime utilizzano una tecnica ultra pulita in cui il risonatore è fabbricato e sigillato in una minuscola camera a vuoto completamente priva di atomi extra.
Oltre al vantaggio delle dimensioni, gli oscillatori al silicio di SiTime sono un'alternativa interessante grazie alla loro capacità di essere sintonizzati su frequenze diverse. A differenza di un cristallo di quarzo, che è fabbricato per risuonare a una certa frequenza per tutta la sua vita, un oscillatore al silicio è in grado di vibrare a molte frequenze diverse, a seconda del software che controlla il circuito. Ciò rende il processo di produzione meno costoso, secondo Partridge, poiché quando viene fabbricato un cristallo di quarzo, è progettato per risuonare a una singola frequenza per tutta la sua vita. Cambiare la funzione dell'orologio al quarzo da uno che fa funzionare un telefono cellulare a uno che fa funzionare un televisore ad alta definizione, ad esempio, richiede la fabbricazione di un lotto completamente diverso.
Ma i risonatori al silicio di SiTime non richiedono la regolazione della frequenza durante la fabbricazione, il che li rende più facili da produrre. E quando sono pronti per essere utilizzati, un tecnico si sintonizza semplicemente sulla frequenza desiderata utilizzando il software.
SiTime è una delle poche nuove aziende che sviluppano la tecnologia dei risonatori MEMS, afferma Roger Howe, professore di ingegneria elettrica a Stanford e capo scienziato presso Orologi in silicone , uno spin-off dell'Università della California, Berkeley. L'area è matura per la commercializzazione, afferma, grazie a una combinazione di tecnologie in via di maturazione nell'industria MEMS e tecniche di incapsulamento ultra-pulite. Di conseguenza, sono emerse una serie di startup specializzate in risonatori MEMS, tra cui Silicon Clocks e Microsistemi Mobius , spin-off dell'Università del Michigan.
SiTime ha stretto una partnership con i principali produttori di orologi al quarzo, che venderanno i suoi oscillatori al silicio. Ma c'è altro lavoro da fare. Partridge afferma che i prodotti da spedire alla fine dell'anno soddisferanno alcune applicazioni per oscillatori al quarzo, come semplici orologi a microprocessore. Ma non sono abbastanza buoni per sostituire, ad esempio, i meccanismi di temporizzazione al quarzo nei dispositivi GPS. I futuri orologi al silicio, dice, avranno una precisione maggiore, poiché il suo team impara a mettere a punto le tecniche di fabbricazione.