Il chip: L’elemento base dell’elettronica moderna

L’OROLOGIO digitale che portate al polso, la calcolatrice tascabile che vi fa risparmiare tanti calcoli a matita, i display multicolori che sono sul cruscotto della vostra nuova automobile hanno tutti una cosa in comune: sono stati resi possibili da sottilissimi chip di silicio non più grandi dell’unghia del pollice di un neonato.

Questi chip si trovano anche in molte altre cose che forse avete: televisori, radio, telefoni, elettrodomestici e alcuni utensili. Dagli oggetti di uso quotidiano in casa alle segretissime applicazioni militari, questa minuscola e preziosa meraviglia elettronica gioca un ruolo determinante nel trasformare il modo di vivere e di lavorare della gente in ogni parte del mondo. Ma cos’è un chip di silicio? Come si è arrivati ad esso? E come si è fatto strada nella vita di ogni giorno?

Cos’è un chip?

Un chip di silicio è basilarmente un insieme di microcircuiti elettronici. Si potrebbe paragonare un circuito elettronico a una frase di questo articolo. Ogni frase è formata di componenti fondamentali quali nomi, verbi e aggettivi. Disponendo queste parti in vari modi, si possono mettere insieme le frasi per formulare dichiarazioni, domande e anche comporre poesie. E combinando le frasi in modo logico, si ha la conversazione e lo scritto.

I circuiti elettronici sono molto simili. Disponendo in vari modi i fondamentali componenti elettronici — transistor, diodi, resistori, ecc. — si possono ottenere circuiti elettronici che svolgono molte funzioni. Quindi si possono unire migliaia di questi circuiti per far loro svolgere ogni sorta di utili processi elettronici. Questo almeno in teoria.

In pratica, però, collegare centinaia di migliaia di componenti elettronici è un’impresa enorme, per non parlare dello spazio che occupano. Questo era esattamente l’ostacolo che si presentava agli scienziati alle fine degli anni ’40 quando produssero la prima generazione di computer. Uno di questi computer era a Filadelfia: era chiamato ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator, calcolatore e integratore numerico elettronico) e occupava una superficie di 140 metri quadri, pesava circa 27 tonnellate e conteneva sulle 19.000 valvole elettroniche! Per funzionare, questo mostro aveva bisogno quasi della stessa energia necessaria a 1.300 lampadine da 100 watt. Divorava così tanta elettricità che si raccontavano delle storielle divertenti. Una diceva che quando veniva acceso, tutte le luci del settore occidentale di Filadelfia si abbassavano.

Nonostante la loro gran mole, la capacità dell’ENIAC e dei suoi pari era assolutamente minuscola in paragone con quella della presente generazione di computer. Mentre oggi un computer da scrivania può compiere milioni di operazioni al secondo, l’ENIAC faceva faticosamente circa 5.000 addizioni o solo 300 moltiplicazioni al secondo. E mentre i computer di oggi, che costano solo poche centinaia di migliaia di lire, possono avere una memoria sufficiente per archiviare 100.000 numeri o più, l’EDVAC, un altro dei primi giganti, poteva archiviarne solo 1.024. Cos’è accaduto per rendere tanto più potenti i computer di oggi?

Al principio degli anni ’60 comparve sulla scena il piccolo ed efficiente transistor. Infine gli scienziati dei computer poterono ridurre le dimensioni dei loro mostri, così lenti e così affamati di energia. Ma prima di poter costruire i computer di oggi doveva essere compiuto un altro passo avanti. Questo doveva avvenire nel campo della fotografia.

La miniaturizzazione e il chip

Come forse sapete, con le apparecchiature giuste si possono ingrandire o rimpicciolire le foto secondo il bisogno. In anni recenti è stata messa a punto una tecnica che consente agli ingegneri dei computer di ridurre fotograficamente grandi disegni di circuiti elettronici fino a dimensioni molto piccole. Questi disegni possono essere così complessi come il piano stradale di una grande città, ma una volta ridotti staranno su un chip più piccolo di una lente a contatto. Le foto non vengono fatte su normale carta fotografica ma su wafer (lamine) di silicio puro, uno degli elementi più abbondanti sulla terra, presente nella comune sabbia.

Certe proprietà del silicio lo rendono il materiale preferito per fare i chip. Ad esempio, aggiungendovi tipi diversi di impurità chimiche, si può fare in modo che il silicio assuma le caratteristiche di resistori, condensatori, e anche transistor. Quindi drogando aree specifiche di un singolo chip di silicio con queste impurità, è possibile riprodurre su di esso un intero circuito elettronico.

Dalla sabbia fusa e purificata, vengono ottenuti cristalli di silicio che alla fine somigliano a cilindretti. Questi vengono quindi affettati ottenendo sottili wafer che sono ricoperti in modo speciale. Piccole immagini dei grandi circuiti elettronici vengono incise sui wafer in strati successivi. Sono aggiunte impurità chimiche nei punti appropriati. E quello che risulta sui chip non sono soltanto immagini ma circuiti elettronici funzionanti detti circuiti integrati.

I circuiti integrati prodotti negli anni ’60 contenevano circa un centinaio di componenti elettronici. Questo permise agli ingegneri di costruire per laboratori e altri istituti “piccoli” computer delle dimensioni di una valigia. Alla fine degli anni ’70 vennero prodotti chip LSI (Large Scale Integration, integrazione su larga scala) con oltre centomila componenti. Si tratta di chip così complessi che uno solo di essi potrebbe in teoria svolgere le funzioni di un computer completo, ad esempio far funzionare un forno a microonde o far andare un’automobile. Oggi gli scienziati dei computer parlano di chip VLSI (Very Large Scale Integration, integrazione su larghissima scala) che contengono milioni di componenti. Immaginate di trasferire il piano stradale di una città di forma quadrata con un lato di 1.600 chilometri — una superficie pari al doppio di quella dell’Alaska — su un chip di mezzo centimetro di lato!

Il chip e voi

L’impiego dei chip elimina gran parte del tedioso lavoro manuale e di saldatura che sarebbe necessario per fabbricare complessi dispositivi elettronici. Questo rende il prodotto finale meno costoso, più affidabile e più piccolo. La produzione in serie ha ridotto così drasticamente il costo dei chip in grado di svolgere funzioni speciali, come la sintetizzazione del suono, che oggi vengono impiegati in ogni sorta di prodotti.

Riscontriamo pertanto che questi chip sono impiegati in giochi parlanti, distributori automatici e automobili tutt’intorno a noi. In alcuni paesi l’“operatore” telefonico che vi dice l’ora o che vi dà un numero telefonico potrebbe esser fatto di silicio! Stanno diventando popolari anche beni di consumo che utilizzano i chip per capire i comandi che date oralmente. Alcuni di questi possono essere soltanto delle trovate ingegnose, ma altri potrebbero fornire a persone disabili la tanto necessaria assistenza.

I chip hanno trovato un impiego anche in campo industriale e commerciale. Nelle fabbriche vengono usati per controllare i robot che possono sostituire l’uomo in lavori noiosi, ripetitivi o pericolosi. Stanno già trovando molte applicazioni nella fabbricazione delle automobili, per lavori di saldatura e verniciatura. Negli uffici, le macchine per scrivere vengono rapidamente sostituite da elaboratori di testo elettronici che controllano l’ortografia, permettono di fare cambiamenti senza riscrivere l’intero documento e stampano anche automaticamente etichette per la spedizione. A volte però, ci sono anche degli svantaggi. I colletti bianchi possono essersi liberati degli ingrati lavori d’ufficio, ma sono sempre più incollati allo schermo del computer.

D’altro canto, i chip di silicio hanno contribuito notevolmente alla rivoluzione nella tecnologia delle comunicazioni di cui questa generazione è stata testimone. La rivista che state leggendo è stata scritta sullo schermo di un computer, composta per mezzo di un computer e stampata con l’aiuto di un computer. In effetti, grazie al suo eccezionale sistema MEPS (Sistema multilingue per la fotocomposizione elettronica) per la composizione e la stampa computerizzata, la Watchtower Society è all’avanguardia nell’impiego di questa applicazione multilingue del chip di silicio, elemento base dell’elettronica, oggi sempre più comune, prezioso e pratico.