Il transistor è la tecnologia di base dietro, beh, tutto nell’informatica moderna. Nei circuiti digitali, un transistor agisce come un minuscolo interruttore controllato dalla tensione: può essere acceso, consentendo il flusso di corrente, oppure spento, bloccandolo. Questi due stati elettrici sono la base per rappresentare i dati binari – 1 e 0 – e per costruire le porte logiche che fanno funzionare i processori. Le moderne CPU e GPU sono piene di transistor; il chip M4 di base nel laptop computer su cui sto scrivendo ne contiene circa 28 miliardi.
Ma il tempo dei transistor al sole sta volgendo al termine? L’umile piccolo interruttore ci è servito estremamente bene, ma pone un limite alla nostra capacità di elaborare i dati. Se vogliamo elaborare più dati, abbiamo bisogno di più transistor. E se vogliamo elaborare i dati più velocemente, allora abbiamo bisogno di transistor che passino da acceso a spento e viceversa più velocemente. E se vogliamo entrambe le cose, allora dobbiamo stipare sempre più transistor, rendendoli al tempo stesso più piccoli e più veloci, sui nostri wafer di silicio.
Abbiamo passato decenni a miniaturizzare e accelerare i nostri transistor, ma alla superb questo processo inizia a scontrarsi con i limiti fondamentali imposti dalle leggi della fisica. Uno di questi è la generazione di calore: la commutazione della corrente genera calore e più velocemente i transistor commutano, più calore si genera. (C’è un buon put up di Clarify It Like I am 5 su questo fenomeno Qui.)
Capire come aggirare questi limiti in modo efficiente e pratico è il Santo Graal della ricerca informatica, e un nuovo articolo pubblicato su Science questo mese descrive una nuova concept promettente. L’articolo descrive come un crew dell’Università di Tokyo abbia adottato un approccio radicale al problema: hanno rinunciato completamente ai transistor. Invece, il loro “elemento di commutazione quantistica non risky” utilizza lo spin di un singolo elettrone per rappresentare lo stato di un dato bit.
(Una breve parentesi: lo spin è una proprietà meccanica quantistica analoga al modo in cui una palla macroscopica può ruotare attorno a un dato asse: può ruotare in una delle due direzioni. Gli elettroni in realtà non ruotano, però, perché se lo facessero, la loro superficie viaggerebbe più velocemente della velocità della luce. Cercare di comprendere lo spin quantistico è difficile, ma ai fini di questo put up, il punto è che un elettrone può avere uno dei due stati di spin, e questi possono essere usati per codificare un 1 o un 0.)
Si scopre che invertire gli stati di spin degli elettroni è più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all’accensione e allo spegnimento dei transistor. Come da la cartal’elaborazione di un singolo bit di informazione con l’elemento di commutazione quantistica richiede 40 picosecondi. (Un picosecondo è un trilionesimo di secondo, ovvero 1 x 10-12 secondi.) Questo è un periodo di tempo incredibilmente breve; per fare un confronto, anche i laptop più veloci di oggi necessitano di qualcosa nell’ordine di un nanosecondo, ovvero 1 x 10-9 secondi, per fare la stessa cosa, quindi qui stiamo parlando di diversi ordini di grandezza di miglioramento.
Ci sono un paio di altri aspetti interessanti di questa tecnologia. Gli elettroni rimangono negli stati di spin assegnati finché qualcosa non li altera nuovamente, il che significa che le informazioni archiviate in questo modo non sono volatili: i dati rimangono archiviati senza alimentazione. Sembra anche essere estremamente durevole: l’articolo descrive come l’elemento di commutazione sia rimasto stabile dopo 100 miliardi di transizioni, il che è ancora una volta migliore di diversi ordini di grandezza rispetto alle tecnologie attuali, dove il calore provoca un progressivo degrado ed eventuali guasti.
Naturalmente, si applicano le solite dichiarazioni di non responsabilità secondo cui si tratta essenzialmente di una prova di concetto e non vi è alcuna garanzia che qualcuno sarà in grado di produrre chip utilizzando questa tecnologia in modo economicamente vantaggioso. Ma indica un modo in cui potremmo essere in grado di superare i limiti della nostra attuale tecnologia informatica.
