Industria dei semiconduttori e tendenze future

Secondo una delle due teorie di Gordon Moore (le leggi di Moore) la capacità computazionale dei microchip semiconduttori raddoppia ogni due anni, mentre il costo dei dispositivi si dimezza.

Allo stato attuale delle tecniche di miniaturizzazione dei chip, ci si domanda se tale legge è ancora applicabile o se va superata. Con la litografia ultravioletta estrema (EUV), infatti, il processo di fabbricazione dei semiconduttori ha ormai raggiunto i 2nm (nanometri) e questo significa che i transistor hanno le stesse dimensioni di alcuni atomi.

Superare tali limiti fisici è diventata una sfida titanica anche per i maggiori produttori di microchip, i quali stanno ora puntando a un diverso modo di strutturare i chip. Tra i tentativi, segnaliamo l’impilamento dei chip (3D chip), una tecnica di sviluppo tridimensionale dei microchip per disporre i transistor su più piani rispetto all’attuale tecnica che prevede la loro disposizione su un’unica superficie piana. La tecnica prevede che i piani di transistor vengano accatastati l’uno sull’altro per garantire il superamento dei limiti fisici alla miniaturizzazione.

Anche la ricerca sui materiali offre il suo contributo con nuove leghe, ad esempio, composte di silicio e germanio. L’innovazione nelle leghe per l’industria dei semiconduttori è necessaria in particolare per supportare le elevate temperature generate durante l’intenso funzionamento dei processori.

Compiendo un piccolo balzo indietro nel tempo, ricordiamo che i sistemi su circuito integrato (SoC) hanno rappresentato i primi tentativi di creare architetture “su più livelli” accentrando varie unità hardware in un unico dispositivo fisico:

• L’unità centrale (CPU)
• I controller
• I chipset
• Il processore grafico (GPU)
• La memoria RAM

L’accentramento ha consentito prestazioni maggiori e risparmio energetico, ma la miniaturizzazione, apparentemente, ha raggiunto il suo limite fisico e, dunque, spazio alle architetture hardware tridimensionali costruite in altezza e collegate tra loro da nanotubi in carbonio.

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L’intelligenza artificiale (IA) ha “fame” di chip semiconduttori. La potenza computazionale necessaria al funzionamento degli algoritmi e all’elaborazione dell’enorme mole di dati e di richieste, va soddisfatta con data center sempre più grandi e processori dall’elevata capacità di calcolo.

La crescente richiesta di integrare l’IA generativa nelle imprese di medie dimensioni, poi, farà nascere un trend per certi versi opposto alla costruzione di grandi data center necessari ai modelli linguistici di grandi dimensioni. Le attività imprenditoriali più piccole avranno bisogno di soluzioni su scala ridotta.

Le aziende di medie dimensioni, infatti, non sono dotate di architetture hardware imponenti. Utilizzano server relativamente piccoli o modelli di calcolo edge computing dalle capacità contenute.

Dunque, serviranno soluzioni di intelligenza artificiale generativa capaci di operare su architetture hardware meno prestanti e attente ai costi per l’aggiornamento della tecnologia. L’attenzione alle esigenze delle PMI consentirà a queste ultime di adottare le soluzioni di generative AI investendo cifre alla portata, sia per dotarsi dei software che per l’aggiornamento dell’hardware informatico.

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Nel settore della sicurezza informatica avanzano le soluzioni basate sul machine learning (ML) e l’intelligenza artificiale per individuare in anticipo le potenziali minacce alle reti aziendali e agli impianti produttivi connessi in rete.

Si va, inoltre, affermando il modello conosciuto come “sicurezza a fiducia zero” (zero-trust security model) che promette di assicurare alti standard di sicurezza contro attacchi informatici alle infrastrutture informatiche delle imprese.

Tuttavia, una nuova sfida attende all’orizzonte chi si occupa di cyber security e riguarda la comunemente nota “supremazia quantistica”, cioè la capacità dei computer quantistici di superare ogni tipo di standard di sicurezza informatica fino a oggi implementato nelle architetture hardware e software.

La sfida è già stata colta negli Stati Uniti, dove l’ente regolatore NIST (National Institute of Standards and Technology) è stato incaricato di sviluppare un nuovo standard di sicurezza che renderà obsoleti gli standard di crittografia RSA ed ECC.

Il nuovo standard prenderà il nome di post-quantum cryptography (PQC) ed è regolamentato dalla normativa statunitense “Quantum computing cybersecurity preparedness act”, la quale negli USA impone, a tutte quelle organizzazioni pubbliche e private che hanno una relazione di fornitura nei confronti delle Pubbliche amministrazioni degli Stati Uniti, di adottare il nuovo standard entro un anno dal rilascio.

Mentre il PQC è ancora in una fase di sviluppo, il che fa presumere la necessità di altro tempo prima di poter essere rilasciato come standard ufficiale, è plausibile ipotizzare che nei prossimi anni i legislatori di altre nazioni si impegneranno nella scrittura di normative che andranno a ricalcare quella statunitense, mentre le società private di ogni dimensione saranno tenute ad adeguarsi al nuovo standard. E l’adeguamento andrà fatto, se non altro, per restare competitivi sul mercato o per non essere esclusi del tutto da opportunità di partnership commerciali con i grandi committenti.

Nel mentre, dal lato tecnologico vengono commercializzate le prime soluzioni di calcolo quantistico fornite attraverso il cloud. Significa potersi interfacciare con hardware, software e soluzioni quantistiche delocalizzate per sfruttarne le potenzialità.

E, anche se i computer quantistici gettano le basi per una nuova Informatica, alla base troviamo sempre l’utilizzo dei semiconduttori ingegnerizzati per sfruttare le peculiarità della meccanica quantistica. Infatti, per la realizzazione dei q-bit una delle soluzioni attuali prevede l’uso di tecnologie basate sul silicio.

Passiamo a un argomento più tecnico, ma non meno importante, posto a monte del mercato dei semiconduttori. Vogliamo cioè introdurre il tema dei test dei semiconduttori.

Un semiconduttore, per essere considerato robusto e capace di resistere alle sollecitazioni più estreme lungo l’intero ciclo di vita, deve passare attraverso test rigorosi. Tali collaudi si effettuano con i sistemi automatici di prova dei dispositivi a semiconduttore. Essi servono a testare i recenti modelli di semiconduttori:

• Di potenza per veicoli elettrici
• Per i dispositivi ad alta capacità di calcolo (HPC)
• Per le memorie a elevata larghezza di banda (HBM)

Il settore dei test per semiconduttori si trova, quindi, nella posizione critica di chi deve certificare l’efficienza di chip sottoposti a condizioni di stress mai raggiunte prima.

Il cambiamento tecnologico ha portato le aziende del settore a sviluppare strumenti di collaudo capaci di mediare tra l’esigenza di verificare più a lungo i chip per l’AI generativa e l’automotive, e la necessità di non dilungare eccessivamente i tempi di collaudo per una pronta immissione dei semiconduttori sul mercato.

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L’Industria 4.0 è un’importante evoluzione per ogni settore industriale, visto che i macchinari possono essere collegati in rete e gestiti da una o più unità di elaborazione dei dati. L’enorme mole di dati generata dalle macchine e dagli apparati elettronici va, però, gestita attraverso centri di elaborazione ancor più grandi.

Le prospettive aperte dall’Industria 4.0 impegnano l’industria dei semiconduttori in maniera esponenziale per soddisfare la crescente domanda di chip. Non solo, cresce la richiesta di processori capaci di elaborare in fretta la mole di informazioni raccolta dai macchinari industriali.

Questa forte spinta all’innovazione si è già tradotta nel raggiungimento del limite fisico di miniaturizzazione dei transistor, quindi ora sono allo studio architetture tridimensionali per garantire maggiori prestazioni ai futuri processori. Un grande aiuto arriverà dai computer quantistici, i quali costituiscono una sorta di passaggio all’età adulta dell’informatica.

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