Microprocessore

Un microprocessore è un singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni decisionali, di calcolo o di elaborazione dell'informazione; il microprocessore principale di un computer viene chiamato processore o CPU; il microprocessore che si occupa delle operazione legate alla visualizzazione delle informazioni in un computer viene chiamato GPU o VPU.

I processori sono circuiti contenenti da migliaia a milioni di transistor ed altri componenti elettronici, ottenuti sfruttando le caratteristiche di semiconduttività del silicio e la sua relativa facilità di essere convertito in isolante tramite drogaggio. Questi transistor conservano informazioni sotto forma di carica elettrica, variando il livello a seconda della logica usata nel funzionamento del circuito.

Storia

Il primo microprocessore mai realizzato fu l'Intel 4004, che lavorava con parole di soli 4 bit: fu progettato dal vicentino Federico Faggin e i primi prototipi videro la luce nel gennaio del 1971.

Fu un successo limitato, ma i successivi Intel 8008 e 8080, che invece usavano parole di 8 bit (un byte, finalmente) riscossero molto più interesse. Nel 1974 Faggin, che nel frattempo alla Intel era divenuto il responsabile di tutti i progetti di circuiti integrati MOS tranne le RAM dinamiche, lascia la Intel per fondare la Zilog, che nel 1976 lancia il mitico processore Z80, che sarà il cuore di molti home computer del decennio successivo. Il successo dello Z80 è immediato, ed eclissa in pratica la serie 8080 della Intel nonostante il lancio dei nuovi 8080A e 8085: nel 2000, a quasi 25 anni dal debutto, lo Z80 veniva ancora prodotto in grandi volumi e utilizzato come microcontroller per sistemi embedded.

L'apparire dei microprocessori provocò una rivoluzione nel mercato degli elaboratori elettronici; insieme con la tecnologia delle memorie RAM a stato solido, i microprocessori resero possibile costruire e vendere un computer completo ad una frazione del prezzo dei minicomputer, che fino ad allora erano le macchine più economiche disponibili: il prezzo di queste nuove macchine era tanto basso da essere alla portata anche dei privati e degli hobbysti. Poiché erano costruiti attorno a dei microprocessori, questi nuovi elaboratori vennero chiamati microcomputer.

Successivamente la Motorola e altri concorrenti entrarono nel mercato, sviluppando altri tipi di microprocessori, come il 6502 usato nell'Apple II e la versione custom 6510 prodotta appositamente per il Commodore 64; il 6800 e il 6809, tutti con registri a 8 bit.

Dal 1980 in poi i fabbricanti e i modelli prodotti iniziarono a moltiplicarsi: ricordiamo soltanto il Motorola 68000, lo Zilog Z8000 e l'Intel 8086, tutti e tre a 16 bit anziché a 8, capostipiti di tre numerose e longeve famiglie di microprocessori. IBM scelse l'Intel 8088 per il suo primo PC al posto dell'8086 perché era compatibile con tutto il software per l'8086, ma aveva un bus dati esterno a 8 bit invece che a 16 ed era compatibile a livello hardware con tutti i circuiti esistenti sviluppati per l'8085. La Apple invece si basò sui chip della famiglia Motorola 68000 per i suoi prodotti della serie Macintosh.

Realizzazione

La realizzazione dei chip (e quindi anche dei microprocessori) avviene in diverse fasi. Il materiale di partenza è una fetta circolare di semiconduttore detta substrato: questo materiale, già debolmente drogato, viene ulteriormente drogato per impiantazione ionica per creare le zone attive dei vari dispositivi; vengono poi depositati una serie di sottili strati di materiali diversi che vanno a creare il wafer:

Strati di semiconduttore policristallino;
Strati isolanti sottili;
Strati isolanti di ossido molto più spessi dei precedenti;
Strati metallici per i collegamenti elettrici, generalmente costituiti da alluminio e più raramente da rame

La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio è impressa con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto da un sottile film fotosensibile, che viene impressionato tramite una maschera ad altissima definizione. Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando in tal modo scoperto il chip sottostante. Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti integrati. In un circuito integrato si possono facilmente inserire transistor e diodi: è anche possibile creare su semiconduttore delle piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. Non è invece possibile integrare degli induttori, dei trasformatori, che devono quindi essere collegati esternamente al circuito integrato: lo stesso vale per i condensatori di media e grande capacità.

In questi ultimi anni, tuttavia, si è iniziato ad usare il Silicio in combinazione col Germanio con la tecnica del silicio stirato (Strained-Silicon). Questa tecnica consiste nel depositare, sul corpo del wafer di silicio, uno strato di silicio-germano di 2micron con concentrazione di germano pari al 20%; la concentrazione di germano non è uniforme in tutto lo strato: vi è una maggiore concentrazione sulla cima della struttura. A questo punto un sottilissimo strato di silicio dello spessore di circa 20nm viene depositato sullo strato di Silicio-Germano. Questa tecnica allunga il reticolato cristallino del Silicio di circa l'1% sia in direzione laterale che verticale e ciò permette un'enorme incremento sulla mobilità dei portatori di carica, che incontrano una resistenza inferiore al loro passaggio e fluiscono fino al 70% più velocemente, cosa che rende più veloci i chip del circa 30% senza bisogno di ulteriori miniaturizzazioni. Il principio che sta alla base di tutto questo è che gli atomi di silicio dello strato sovrastante tendono ad allinearsi con quelli dello strato si Silicio-Germano che, essendo più spesso, obbliga gli atomi di silicio a spaziarsi di una distanza analoga a quella degli atomi di Silicio-Germanio.

Voci correlate

Altri progetti Wikimedia

Microprocessore

Gourt Home::Gourt :: Microprocessore

Storia

Realizzazione

Voci correlate

Altri progetti Wikimedia