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Una macchina piccola ma di immenso successo

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Mr. Transistor, dalla radiolina portatile degli anni 50, al computer molecolare o quantistico

Trento, 28 maggio 2020. – di Luigi Cozzolino

Il transistor (risultato dei termini inglese, trans conductance varistor), è un dispositivo a semiconduttore largamente usato sia nell'elettronica analogica che nell'elettronica digitale.
Si pensi che attualmente in ogni cellulare che usiamo, ci sono almeno due milioni di transistor dell'ordine di grandezza di nanometri (sui dai 7 ai 14 nanometri) e che in ogni memoria centrale (CPU) di un pc ci sono almeno 5 milioni di transistor.

Il termine è stato spesso utilizzato nel linguaggio comune anche per identificare le piccole radio AM portatili a pile, che furono la prima applicazione di questi dispositivi a raggiungere il mercato di massa, negli anni cinquanta del XX secolo.

I personaggi di questa magnifica favola sono, W.Shockley, W.H. Brattain, J.Bardeen, per l'invenzione del transistor (1947), quelli che poi continueranno la favola perché approderanno ai circuiti integrati sono Jack Kilby e Robert N.Noyce, (1958), e quelli che ci porteranno a pochi passi dal computer molecolare o quantistico Federico Faggin, Stan Mazor, Ted Hoff, (per la creazione del primo microprocessore i 4004). (1971).

Il Transistor è una macchina meravigliosa e perfetta forse l'unica che ha consentito al genere umano di poter godere degli enormi vantaggi dovuti alla comunicazione, cellulari, radio, tv, computer, ecc. ecc. che tutti utilizziamo di continuo perché il Transistor ha reso possibile la " miniaturizzazione" delle apparecchiature elettroniche.

Il funzionamento dello stesso non è di immediata comprensione, per i non addetti ai lavori, ma in fondo si tratta di far muovere degli elettroni all'interno di una piastrina di silicio, volendo fare un paragone possiamo far riferimento ad un rubinetto dell'acqua ove noi agendo sulla apposita manopola del rubinetto riusciamo a far defluire una maggiore o minore quantità di acqua.

Prima però di parlare del funzionamento del Transistor è utile fare qualche cenno sul padre del transistor la "valvola termoionica" scoperta da Lee De Forest nel 1912 è rimasta in servizio fino agli anni 70 dello scorso secolo.
La valvola termoionica risolveva il problema dell'amplificazione dei segnali elettrici laddove questi erano troppo bassi, si pensi alle prime radio, o alla telefonia.
La valvola termoionica è enorme rispetto al un transistor, consuma energia milioni di volte rispetto ad un Transistor, il suo costo e' miliardi di volte quello di un Transistor, si danneggia di frequente e quindi necessità di elevati costi di manutenzione.

Di questi problemi si fece carico, verso la fine degli anni 30, il direttore delle ricerche dei Bell Labs, il fisico Mervin Kelly, che comprese che bisognava fare qualcosa per risolvere il problema dell'eccessivo calore emesso dalle valvole e di conseguenze dell' ingombro e dei costi e della relativa manutenzione di apparati contenenti le valvole termoionche.
Mervin, consapevole della sua elevata preparazione in fisica, si rese conto che dai semiconduttori doveva essere possibile creare un' altra strada all'amplificazione ed alla regolazione, acceso spento, dei segnali elettrici.
Mervin, quindi, alla fine della seconda conflitto mondiale, riprese l'idea di utilizzare i semiconduttori (silicio e germanio) per risolvere il problema della sostituzione delle valvole termoioniche negli apparati elettronici.
Quindi Mervin Kelly scelse come capo del team, che avrebbe dovuto studiare il problema, un bravissimo scienziato Shockley, il quale ricevuto l'incarico chiamò a sua volte due brillantissimi fisici Brattain e Barden.

Il Team è al completo e si identifica cosi.

BARDEN è la mente;

BRATTAIN è il braccio;

SHOCKLEY è lo scienziato .

Il 16 dicembre del 1947 Barden e Brattain riescono a costruire il primo transistor a punte di contatto, tra l'altro non commercialmente producibile perché non idoneo alla produzione di massa, ma non rinferiscono nulla a Shockley, il quale viene informato dei progressi alcuni giorni dopo.
Shockley non aveva un carattere facile ed era stato sempre considerato il prima della classe, con un carattere e un piglio autoritario e scorbutico, quindi non prese bene l'atteggiamento dei due, perché, ovviamente, avrebbe voluto essere lui l'artefice del primo prototipo di transistor.

Allora si ritirò per un periodo, da solo, in una stanza di albergo e dopo un mese di studi fatti sul, lavoro dai suoi collaboratori, giunse, con le opportune modifiche di quanto realizzato degli altri due del team, alla costruzione del primo vero e funzionante transistor che e' quello a giunzione ancora oggi in uso.

Dopo questo fatto, il team si sciolse e Shockley lasciò la Bell Labs per fondare la Shockley Semiconductor a Palo Alto e rappresenterà il primo insediamento di quella che e' oggi è conosciuta come la Silicon Valley, Barden va ad insegnare all'universita' dell'Illinois, mentre Brattain resterà alla Bell LAbs per diversi anni e poi si dedicherà anche lui all'insegnamento.

Comunque il Nobel per la scoperta del TRAnsistor verrà assegnato a tutti e tre.
IL Transistor creato da Barden e Brattain, quello a punte di contatto, non era perfettamente funzionante e non poteva essere introdotto in commercio, ma con le modifiche apportate dallo scienziato Shockley il transistor diventerà protagonista dell' elettronica a partire dal ventesimo secolo ad oggi.
Abbiamo accennato alla valvola Termoionica, la valvola consentiva l' amplificazione di corrente in quanto in essa veniva effettuato il vuoto ed oltre al catodo e all'anodo veniva aggiunto un terzo elemento regolatore che era la griglia.
La griglia serviva a regolare il flusso di corrente tra catodo e anodo così come poi succederà nel transistor con la base (gate).
Ma come funziona un transistor? Tutto parte dal silicio, che e' un semiconduttore, che opportunamente trattato riesce a far fluire gli elettroni attraverso tre strati diversi chiamati PNP (POSITIVO -NEGATIVO -POSITIVO) o NPN, in pratica in questo minuscolo pezzettino di silicio si creano delle condizioni chimiche, che attraverso un drogaggio o di boro o di fosforo rende possibile la creazione di un eccesso di elettroni in una zona denominata N o una carenza di elettroni in una zona denominata P.
L'atomo di silicio ha quattro elettroni, l'atomo di fosforo ha cinque elettroni mentre l'atomo di boro ha tre elettroni.
Quindi, risulta chiaro che per completare l'orbita esterna quando il silicio con quattro elettroni si unirà all'atomo di fosforo che ne ha cinque ci sarà un elettrone libero, quando il silicio si unirà all' atomo di boro che ha tre elettroni si creerà la condizione per attirare un elettrone libero, le famose lacune.

In questi condizioni gli elettroni in eccesso tenderanno a raggiungere gli spazi dove questi sono carenti rendendo cosi possibile il flusso di una corrente tra le zone PNP o NPN.
Le tre zone del transistor vengono chiamate, emettitore (source), base (gate), e collettore (drain), queste tre zone, opportunatamente polarizzate con tensioni adeguate consentono al transistor di funzionare sia come amplificatore di segnali deboli che da interruttore digitale , ecco perché ci sono tanti transistori nelle moderne apparecchiature elettroniche.
Il fatto che il transistor può comportarsi da interruttore ci consente di avere i due bit necessari per stabilire il bit 0 e il bit 1.

Le deboli correnti in ingresso sulla base del transistor verranno amplificata di tante volte e potranno essere prelevate dal collettore con un rapporto di amplificazione che può arrivare dalle tremila alle seimila volte il segnale di ingresso.
La base del Transistor e la griglia della vecchia valvola termoionica sono le manopole che servono a regolare il flusso di corrente verso l'anodo per la valvola termoionica e verso il collettore per il Transistor, (Fig.1).

I circuiti integrati nascono nel 1958 ad opera del fisico Jack Kilby della Texas Instrument e del fisico Robert Noyce della Fairchild Semiconductors i due scienziati, pur lavorando in Aziende diverse, arriveranno alle stesse conclusioni cioè miniaturizzare il più possibile, transistor, condensatori, resistenze ecc. ecc., il Nobel verrà assegnato solo a Kilby in quanto Noyce non riuscirà a vivere fino alla concessione del prestigioso riconoscimento, però la produzione degli integrati andrà avanti con il metodo di Noyce in quanto questo metodo si avvaleva del silicio e quindi più adatto alla costruzione degli integrati.
L' attuale costruzione e la produzione di circuiti integrati si avvale di operazioni complesse che sfiorano la fantascienza alla cui realizzazione partecipano migliaia di tecnici e scienziati e di apparecchiature per la fabbricazione degli integrati che hanno raggiunto costi astronomici.
Ecco la necessità per le Aziende interessate al settore dell'innovazione, nel campo degli integrati, di avere i necessari mercati di sbocco per vendere computer, cellulari, tablet, tv, ecc. ecc..

Dalle migliaia di transistor contenuti nei primi integrati oggi siamo sull'ordine dei miliardi di transistori in quanto le dimensioni dei transistori sfiorano il nanometro, cioè a dire che un transistor ha la grandezza di 10 atomi!!!!!! Pura fantascienza!!!!! Ma anche una realtà assoluta.
Nel 1971 assistiamo ad un'altra importante rivoluzione, il fisico Federico Faggin, con l'apporto delle conoscenze/esperienze di Stan Fazor e Ted Hoff, inventa il primo micro processore i4004, si chiamerà CPU (Central Processing Unit).

Un grande passo in avanti nella miniaturizzazione, il microprocessore verrà utilizzato in tutte gli apparati televisione, computer, cellulari, stampanti, computer di bordo delle auto, si rende possibile, l'impossibile, cioè si crea un componente capace di fungere da motore delle elaborazioni dei dati in grado di leggere, scrivere, elaborare, informazioni in una memoria o verso altri dispositivi.
Federico Faggin fu il degno sacerdote di questa nuovissima religione che permise lo snellimento e la facilità delle comunicazioni tra gli esseri umani.

La rivoluzione dell' i 4004 prodotto con le iniziali di FF quasi a firmare un documento, c'era un motivo in questa strana firma di un processore, perché Federico Faggin non aveva avuto i dovuti riconoscimenti per precedenti scoperte, quella di Faggin è una rivoluzione che continua ad insistere sulle dimensioni dei Transistor, resistenze, condensatori, ecc. ecc..
I 2250 transistor incisi sul processore 4004 fornivano una potenza di calcolo analoga a computer dell'Eniac, il primo computer elettronico a valvole termoioniche costruito nel 1946 per l'esercito americano, che pesava una trentina di tonnellate e gli armadi che ospitavano le 17550 valvole occupavano un volume di un enorme salone, Il microchip della Intel di FF era inserito in un involucro di due centimetri!!!!!! Pura fantascienza? No, assoluta e sicura realtà.
Ma, lo stesso motivo che aveva mandato in pensione le valvole termoioniche sta mandando in pensione anche i microprocessori al silicio che partiti con i circa 2000 transistor del 1971, ed una frequenza di clock di 740 KHz siamo passati a miliardi di transistor nei più recenti ed una frequenza di clock dell' ordine dei 5 GHz, ebbene tutti questi transistor producono un elevato calore e quindi siamo arrivati col silicio quasi al traguardo.

Infatti, le richieste di calcolo massivo si fanno più impellenti, le nuove frontiere della genetica richiedono che non solo che si possono elaborare dati contemporaneamente ma che si abbiano risposte quasi immediate, per agire velocemente nel fare diagnosi e prescrivere cure appropriate per le malattie autoimmuni e del cancro.
Stanno quindi nascendo computer molecolari, in effetti, il computer utilizza singoli atomi o molecole come mezzo per risolvere problemi computazionali.
Si sono fatti dei calcoli interessanti, e cioè un calcolatore molecolare pesante solo un chilogrammo sarebbe in grado di elaborare più di 10 elevato alla 27 operazioni al secondo, un miliardo di volte più veloce dei migliori computer oggi esistenti che operano a circa 10 elevato alla 17 operazioni al secondo.
Quindi, anche il Transistor che ci ha accompagnati fedelmente, in questo più di mezzo secolo, dovrà prima o poi cedere il passo ai computer molecolari. (Fig.2)

Una macchina piccola ma di immenso successo

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