La parola chip è ormai sulla bocca di tutti. Chiunque ha una vaga idea di cosa sia: quel simpatico quadratino circondato da nervature elettroniche. Ma in quanti riescono a capire il suo funzionamento? E i suoi componenti? Il cittadino medio, con l’invenzione di tecnologie sempre più complesse, giustamente prova difficoltà a capire il funzionamento di qualcosa che usa spesso. Ma tranquilli, ci siamo noi! Detti anche circuiti integrati, sono uno dei più importanti sviluppi nella storia dell’elettronica e dell’informatica. La sua invenzione ha permesso di miniaturizzare i componenti elettronici, così da creare dispositivi elettronici sempre più sofisticati, portando a una rivoluzione nella tecnologia digitale.
Inline Style vi spiegherà il funzionamento dei circuiti integrati, un circuito elettrico che rappresenta la base delle moderne tecnologie. Prima di spiegarlo, è doveroso aprire una parentesi storica.
Due ingegneri americani rivoluzionarono il mondo tecnologico
Vogliamo nomi e cognomi: Jack Kilby e Robert Noyce. Verso la fine degli anni ‘50, i due ingegneri statunitensi probabilmente avevano già una vaga idea dell’importanza del loro lavoro, ma come ogni invenzione rivoluzionaria, è difficile prevedere le conseguenze nel lungo termine. La portata fu talmente immensa da non poter scorgere l’orizzonte. Il circuito integrato è stato creato in modo indipendente, nel 1958. Jack Kilby, impiegato della Texas Instruments, realizzò il primo circuito integrato monolitico il 6 luglio 1958. Robert Noyce, che lavorava come cofondatore alla Fairchild Semiconductor, sviluppò una versione migliorata pochi mesi dopo, con un’architettura più sofisticata e in grado di essere prodotta in modo più efficiente.
Il primo circuito integrato era costituito da alcuni transistor e resistenze interconnessi su un chip di germanio. Questo circuito integrato non era molto potente, ma dimostrava la fattibilità della tecnologia in questione. Con il boom economico degli anni ‘60, vennero sviluppati i primi circuiti integrati a scala media (con decine di componenti) e a grande scala (con centinaia di componenti). Nel decennio successivo, il circuito integrato continuò ad evolversi, portando alla creazione dei primi microprocessori e microcontroller. Questi circuiti furono utilizzati in molte applicazioni, come computer, telecomunicazioni, automazione industriale ed elettronica di consumo.
In sostanza, la fortuna dei circuiti integrati è legata da una necessità storica, poiché l’essere umano si stava avviando verso l’Era dell’informazione, durata approssimativamente dal 1971 al 1991. Nella società post-industriale, già economicamente matura, la dipendenza dall’industria diminuisce e aumentano invece gli investimenti nelle tecnologie dell’informazione. Ma alla base di queste tecnologie moderne c’è il circuito integrato.
Cos’è un circuito integrato? E dove si installa?
Architettura di un circuito integrato
Un circuito integrato è un circuito elettrico in cui i componenti elettronici, come transistor, diodi, resistenze, condensatori e altri, vengono miniaturizzati e integrati all’interno di un unico pacchetto di silicio. Perché vengono miniaturizzati?
Immaginate che in un paese non c’è sufficiente spazio per tutti gli abitanti, poiché magari si vuole installare qualcos’altro o addirittura si vuole ridurre il perimetro del paese (un dispositivo elettronico qualsiasi). Ovviamente non li cacciamo via, giacché ognuno è utile. Allora parecchi abitanti vengono rimpiccioliti, in tal modo una singola casa verrà occupata da molte più persone. Gli abitanti sono come i componenti elettronici e la casa è come il pacchetto di silicio del circuito integrato. Gli abitanti rimpiccioliti si adattano: la casa diventa una sorta di centro commerciale, dove producono il loro lavoro all’interno di quel perimetro, per il bene del paese (smartphone, computer ecc.). Un circuito integrato fa esattamente questo: fa operare componenti elettronici miniaturizzati in uno spazio molto ristretto per il bene del dispositivo elettronico.
Insomma, si tratta di una necessaria economia degli spazi, come nel caso di uno smartphone, che è per definizione di piccole dimensioni. Ma serve anche a rendere più efficiente un dispositivo elettronico, come nel caso di un computer. I chip possono essere progettati per eseguire una vasta gamma di funzioni elettroniche, come elaborazione di segnali, controllo di motori, conversione di segnali, memorizzazione di dati e altro ancora.
Il nostro caro chip viene installato su una scheda di circuito stampato (PCB) attraverso i piedini, i terminali che si trovano sui bordi del chip elettronico. Un circuito stampato rappresenta una base fondamentale per l’assemblaggio dei componenti elettronici di un circuito. Esso consiste in una lastra di materiale non conduttivo, su cui sono incise delle piste conduttive che permettono di collegare fra loro i vari elementi del circuito elettronico, tra cui il circuito integrato. In altre parole, si tratta di una sorta di “mappa” del circuito, che permette di realizzare una connessione efficiente tra i componenti elettronici necessari per far funzionare il dispositivo in questione. Senza componenti, ha questo aspetto:
Se non esistesse il circuito integrato, dovremmo usare circuiti stampati abnormi. Un bel casino: porta ad una minor efficienza delle funzioni, costi elevati di produzione, design di dispositivi smisurati e altre spiacevoli conseguenze. È molto probabile che senza il circuito integrato, lo smartphone come lo conosciamo oggi non sarebbe mai stato inventato.
Ora passiamo al funzionamento del circuito integrato.
Funzionamento del circuito integrato
Una volta installato su un circuito stampato, il circuito integrato diventa una componente essenziale per il funzionamento di un dispositivo elettronico. Possiamo dividere il funzionamento in tre fasi.
(1) Quando il dispositivo viene attivato, la corrente elettrica inizia a fluire attraverso le piste del circuito stampato e arriva ai pin del circuito integrato. I pin di un chip sono i terminali metallici presenti sui bordi del chip stesso, detti anche piedini. Essi servono per connettere il chip con il resto del circuito elettronico nel quale viene inserito, cioè stabiliscono un contatto elettrico. Sono progettati per gestire la corrente elettrica che scorre attraverso di essi, sia in ingresso che in uscita. Attenzione: esistono due tipi di piedini. Ci sono i piedini a montaggio superficiale e i piedini passanti.
(2) Il circuito integrato elabora quindi i segnali elettrici in ingresso attraverso i suoi componenti interni, come i transistor e le porte logiche, per produrre dei segnali in uscita che vengono inviati ai pin del chip e successivamente alle altre componenti del dispositivo presenti sul circuito stampato. Il processo di elaborazione dei segnali in ingresso dal circuito integrato può essere suddiviso in diverse fasi, tra cui:
- l’amplificazione,
- la filtrazione,
- la modulazione,
- la demodulazione e
- la conversione analogico-digitale (ADC) o digitale-analogica (DAC).
(3) Il chip potrebbe controllare la modalità di funzionamento del dispositivo, ad esempio l’accensione o lo spegnimento di una determinata funzione, oppure potrebbe elaborare i dati provenienti dai sensori e mostrare le informazioni all’utente sullo schermo del dispositivo.
Ma non finisce qui. Esistono anche i microchip. Che differenze ci sono tra chip e microchip?
Funzionamento del microchip
Un microchip, anche chiamato microprocessore, è un tipo di circuito integrato che contiene al suo interno un processore, ovvero un’unità di elaborazione centrale in grado di eseguire operazioni logiche e aritmetiche.
Il funzionamento del microchip avviene in modo simile a quello del circuito integrato: i segnali elettrici in ingresso vengono elaborati attraverso i componenti interni, ma in questo caso la parte principale del chip è rappresentata dal processore che esegue i calcoli richiesti dal dispositivo in cui il microchip è installato. Una sorta di computer nel computer. Grazie alla sua elevata capacità di elaborazione, il microchip è stato fondamentale per lo sviluppo di tecnologie come l’Internet delle cose (IoT), l’intelligenza artificiale e l’automazione industriale.
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Tipologie di circuiti integrati
Esistono diverse tipologie di circuiti integrati, ognuna delle quali ha caratteristiche specifiche in base alle esigenze dell’applicazione.
- Circuiti integrati analogici: sono utilizzati per elaborare e amplificare segnali analogici, come ad esempio nel campo dell’audio o del controllo dei motori.
- Circuiti integrati digitali: elaborano segnali digitali, come quelli generati da un computer. Questi CI possono essere di tipo combinatorio (che elaborano i segnali in base a un insieme di regole logiche) o sequenziale (che elaborano i segnali in base a uno stato interno del CI).
- Microcontrollori: sono circuiti integrati che combinano funzioni analogiche e digitali per controllare dispositivi elettronici, come ad esempio motori, sensori, display, ecc.
- Memorie: memorizzano informazioni digitali, tipo la memoria RAM e la memoria ROM.
- Circuiti integrati programmabili: sono CI che possono essere programmati dall’utente per eseguire funzioni specifiche, come ad esempio i circuiti FPGA (Field Programmable Gate Array) o i circuiti CPLD (Complex Programmable Logic Device).
- Circuiti integrati di potenza: servono a controllare il flusso di energia in un sistema elettronico.
Conclusione
Il circuito integrato ha rivoluzionato per sempre il mondo dell’elettronica. Secondo le stime della società Gartner, il mercato globale dei semiconduttori ha registrato una crescita dell’1,1% e ha raggiunto un valore di 601,7 miliardi di dollari nel 2022. Per fare un paragone, il valore totale del commercio delle armi a livello mondiale è stato stimato di 118 miliardi di dollari nel 2019. Bella differenza! Ecco perché la Cina è così tanto interessata a Taiwan: per via dei semiconduttori. È la capitale mondiale dei chip. Non a caso, l’azienda Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Limited è il più grande produttore indipendente di semiconduttori al mondo.
Il contesto geopolitico fa capire quanto importanti siano diventati i circuiti integrati.
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