di Chris Woodford. Ultimo aggiornamento: 30 gennaio 2020.
Hai mai sentito parlare di un computer del 1940 chiamato ENIAC? Era lungo e pesante quanto tre o quattro autobus a due piani e conteneva 18.000 ronzanti interruttori elettronici noti come tubi a vuoto. Nonostante le sue dimensioni gigantesche, era migliaia di volte meno potente di un moderno computer portatile, una macchina circa 100 volte più piccola.
Se la storia dell’informatica suona come un trucco di magia – spremere sempre più potenza in sempre meno spazio – lo è! Ciò che lo ha reso possibile è stata l’invenzione del circuito integrato (IC) nel 1958. È un modo pulito di stipare centinaia, migliaia, milioni o addirittura miliardi di componenti elettronici su minuscoli chip di silicio non più grandi di un’unghia. Diamo un’occhiata più da vicino ai circuiti integrati e al loro funzionamento!
Foto: Un circuito integrato dall’esterno. Questo si presenta in una forma conveniente chiamata dual-inline package (DIP), che consiste in un involucro esterno di plastica nera o ceramica con perni metallici su ogni lato per essere inserito in un circuito elettronico più grande (la cosa marrone che potete vedere sullo sfondo). Il circuito vero e proprio che fa il lavoro è un piccolo chip incorporato all’interno del DIP; puoi vedere come è collegato ai pin esterni del DIP nella prossima foto.
Cos’è un circuito integrato?
Foto: Un circuito integrato dall’interno. Se tu potessi sollevare il coperchio di un tipico microchip come quello nella foto in alto (e non è molto facile – credimi, ci ho provato!), questo è ciò che troveresti all’interno. Il circuito integrato è il piccolo quadrato al centro. Le connessioni corrono da esso verso i terminali (pin di metallo o gambe) intorno al bordo. Quando colleghi qualcosa a uno di questi terminali, ti stai effettivamente collegando al circuito stesso. Si può quasi vedere lo schema dei componenti elettronici sulla superficie del chip stesso. Foto per gentile concessione del NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Apri un televisore o una radio e vedrai che è costruito intorno a un circuito stampato (PCB): un po’ come una mappa stradale elettrica con piccoli componenti elettronici (come resistenze e condensatori) al posto degli edifici e connessioni di rame stampato che li collegano insieme come strade metalliche in miniatura. I circuiti stampati vanno bene in piccoli apparecchi come questo, ma se si cerca di usare la stessa tecnica per costruire una macchina elettronica complessa, come un computer, si incontra rapidamente un ostacolo. Anche il computer più semplice ha bisogno di otto interruttori elettronici per memorizzare un singolo byte (carattere) di informazioni. Quindi, se si vuole costruire un computer con una memoria sufficiente per memorizzare questo paragrafo, si tratta di circa 750 caratteri per 8 o circa 6000 interruttori per un singolo paragrafo! Se si opta per interruttori come quelli dell’ENIAC – tubi sottovuoto delle dimensioni di un pollice adulto – ci si ritrova presto con una macchina enorme e affamata di energia che ha bisogno di un mini impianto elettrico per funzionare.
Quando tre fisici americani inventarono i transistor nel 1947, le cose migliorarono un po’. I transistor erano una frazione delle dimensioni dei tubi a vuoto e dei relè (gli interruttori elettromagnetici che avevano iniziato a sostituire i tubi a vuoto a metà degli anni ’40), usavano molta meno energia ed erano molto più affidabili. Ma c’era ancora il problema di collegare tutti quei transistor in circuiti complessi. Anche dopo l’invenzione dei transistor, i computer erano ancora una massa aggrovigliata di fili.
Foto: I circuiti integrati si inseriscono in circuiti stampati (PCB) come quello verde che potete vedere qui. Notate le sottili piste che collegano le “gambe” (terminali) di due diversi circuiti integrati insieme. Altre piste collegano i circuiti integrati a componenti elettronici convenzionali come resistenze e condensatori. Puoi pensare alle tracce come a “strade” che fanno percorsi tra “edifici” dove si fanno cose utili (i componenti stessi). C’è anche una versione miniaturizzata di un circuito all’interno di un circuito integrato: le tracce sono create in forma microscopica sulla superficie di un wafer di silicio.
I circuiti integrati hanno cambiato tutto questo. L’idea di base era quella di prendere un circuito completo, con tutti i suoi numerosi componenti e le connessioni tra di essi, e ricreare il tutto in forma microscopica sulla superficie di un pezzo di silicio. È stata un’idea incredibilmente intelligente e ha reso possibile tutti i tipi di gadget “microelettronici” che ora diamo per scontati, dagli orologi digitali e le calcolatrici tascabili ai razzi per lo sbarco sulla Luna e i missili con navigazione satellitare incorporata.
La legge di Moore
I circuiti integrati hanno rivoluzionato l’elettronica e l’informatica negli anni ’60 e ’70. All’inizio, gli ingegneri mettevano dozzine di componenti su un chip in quella che fu chiamata Integrazione su piccola scala (SSI), seguita presto dall’Integrazione su media scala (MSI), con centinaia di componenti in un’area delle stesse dimensioni. Prevedibilmente, intorno al 1970, l’Integrazione su grande scala (LSI) portò migliaia di componenti, l’Integrazione su grandissima scala (VLSI) ne diede decine di migliaia e la Scala Ultra Grande (ULSI) milioni, e tutto su chip non più grandi di prima. Nel 1965, Gordon Moore della Intel Company, uno dei principali produttori di chip, notò che il numero di componenti su un chip raddoppiava all’incirca ogni uno o due anni. La legge di Moore, come è conosciuta, ha continuato a mantenere la sua validità da allora. Intervistato dal New York Times 50 anni dopo, nel 2015, Moore ha rivelato il suo stupore che la legge ha continuato a tenere: “La previsione originale era di guardare a 10 anni, che pensavo fosse una forzatura. Si stava passando da circa 60 elementi su un circuito integrato a 60.000, un’estrapolazione di migliaia di volte in 10 anni. Ho pensato che fosse abbastanza folle. Il fatto che qualcosa di simile stia andando avanti per 50 anni è davvero sorprendente.”
Cartina: Legge di Moore: Il numero di transistor impacchettati nei microchip è raddoppiato all’incirca ogni anno o due negli ultimi cinque decenni – in altre parole, è cresciuto esponenzialmente. Se tracci il numero di transistor (asse y) contro l’anno di lancio (asse x) per alcuni microchip comuni degli ultimi decenni (stelle gialle), otterrai una curva esponenziale; tracciando invece il logaritmo, avrai questa linea retta. Notate che l’asse verticale (y) di questo grafico è logaritmico e (a causa del software di grafica OpenOffice che ho usato) l’asse orizzontale (x) è solo vagamente lineare: Tracciato usando i dati di Transistor Count, Wikipedia, controllato con altre fonti.