Oltre il transistor, arrivano i memristor, chip con la memoria

Era il 1947 quando nei laboratori della Bell fu creato un dispositivo elettronico più piccolo e in grado di funzionare anche a temperature più basse rispetto alle valvole, consumando anche molta meno energia. Usati dapprima nella forma più elementare come interruttori, invasero i circuiti di radio, calcolatrici e telefoni costituendo la tecnologia dei semiconduttori. Successivamente, spinti dalla ricerca spaziale, a sostituirli in determinate applicazioni arrivarono i circuiti integrati, oggetti che sono evoluti fino a consentire elaborazioni e memorie complesse ad alta velocità. Ma anche la miniaturizzazione ha un limite, e oggi arriva il memristor, un dispositivo elettronico ipotizzato negli anni Settanta ma realizzabile da poco tempo che emula l'interruttore binario (On-Off) regolando gli stati di conducibilità interna in base alla resistenza della corrente che lo attraversa. Il dottor Mario Lanza, professore associato dell’università King Abdullah University of Science and Technology (Kaust) di Gedda, in Arabia Saudita, ordinario di scienze dei materiali e ingegneria, afferma che come avvenuto per il transistor sia solo questione di tempo prima che i memristor diventino il nuovo standard della tecnologia di commutazione, superando i transistor in termini di velocità ed efficienza. Lanza è il primo autore di un articolo pubblicato di recente sulla rivista Science e dedicato alle “Tecnologie memristive per l'archiviazione dei dati, il calcolo, la crittografia e la comunicazione a radiofrequenza”. Con i risultati forniti da coautori dell'industria e del mondo accademico, il documento è il primo a fornire un riepilogo completo dei dati che supportano i livelli di prontezza della nuova tecnologia in tutti i materiali e le applicazioni.

“I memristori possono essere realizzati principalmente con quattro diversi materiali applicati ad altrettante applicazioni, per un totale di 16 combinazioni, e questo documento li copre tutti”, ha affermato Lanza a Science, “mostriamo statisticamente i criteri tecnici per il funzionamento dei memristori in queste varie configurazioni e la nostra raccolta di risultati può avere un impatto importante sul campo”.

Il professore prevede che in futuro potrebbero essere possibili molte altre combinazioni perché i memristori realizzati con materiali stratificati stanno migliorando rapidamente le loro prestazioni. L'attuale tecnologia dei chip ha già raggiunto il limite fondamentale della meccanica quantistica in termini di dimensioni; quindi, più piccoli di come li stiamo facendo è impossibile realizzarli. I chip transistor non possono diventare più piccoli della distanza interatomica. Dal momento che il ridimensionamento non è un'opzione, la tecnologia memristiva aumenta, integrando una tecnologia di dimensioni nanometriche. L'applicazione di impulsi di tensione interrompe l'isolamento creando un percorso per il flusso di corrente. Nel rimuovere la tensione, la struttura modificata del materiale rimane come un fantasma conduttivo, o memoria che, quando viene applicata nuovamente la tensione, può essere invertita per ripristinare lo stato iniziale. In questo modo il memristor funge da interruttore di polarità che può essere commutato tra stati conduttivi e non conduttivi.

“Il memristor è come un coltellino svizzero. Può essere usato per molte cose”, spiega Lanza “è un interruttore con molti stati che posso regolare, se voglio 25 stati stabili o instabili, o dieci o due. La griglia può essere programmata per eseguire calcoli avanzati a velocità elevate, consumando molta meno energia, occupando molto meno spazio ed essere usata in più applicazioni, calcoli che altrimenti richiederebbero molti transistor per fare lo stesso lavoro”.

I quattro tipi di materiali non a base di silicio che Lanza menziona nella sua relazione scientifica sono ossidi di metallo come il biossido di afnio, cobalto, ferro e titanato di bario. Le applicazioni principali per le quali vengono utilizzati i memristori sono l'archiviazione, il calcolo, la comunicazione e la crittografia. In base al materiale utilizzato e alla resistenza elettrica applicata, le prestazioni possono essere regolate per soddisfare i requisiti di diverse tecnologie. E anche se il concetto di memristori è stato ipotizzato e introdotto negli anni '70, la tecnologia non ha avuto successo fino all'ultimo decennio. Oggi i memristori possono già essere trovati all’interno di alcuni prodotti, come taluni orologi, ma ci sono ancora molte applicazioni promettenti da esplorare e l'industria sta seguendo da vicino la tecnologia per valutare gli usi commerciali futuri oltre all'elettronica.

Alcuni coautori della ricerca di Lanza arrivano dall'industria, uno in particolare dalla Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (Tsmc), la multinazionale responsabile della produzione della maggior parte dei chip nel mondo, compresi i più piccoli e avanzati, mentre altri due dalla International Business Machines (Ibm), realtà presente in oltre 170 paesi.

Le attuali previsioni di mercato dicono che il mercato dei componenti elettronici nobili dovrebbe crescere fino a 5,6 miliardi di dollari entro il 2026, con un aumento del 2% nel solo comparto delle memorie. Ecco perché Lanza spera che il documento pubblicato su Science spinga le aziende a investire in nuove tecnologie basate su memristor. Un importante commento è arrivato da Meng-Fan Chang, direttore della ricerca di Tsmc e professore presso la National Tsing Hua University di Hsinchu, Taiwan, che ha dichiarato: “Questo è il primo resoconto che fornisce un'ampia panoramica sulla struttura e le applicazioni dei memristor, un dispositivo che dovrebbe rivoluzionare l'industria della microelettronica”.