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Le avventure microscopiche di un riparatore di circuiti di chip

Da circa vent’anni, la ricerca della perfezione costringe Nikos Troullinos a barcamenarsi per trovare minuscoli errori che causano malfunzionamenti nei circuiti dei processori.

Il contegno calmo dell’ingegnere dei chip Intel maschera il livello di complessità che gestisce ogni giorno, eliminando difetti nascosti tra i miliardi di oggetti interconnessi racchiusi in una piastrina di silicio, spesso più piccola di un’unghia.

“È come tagliare un buco nel cielo, staccando un pezzo per rimuovere una stella instabile e quindi riposizionandolo senza turbare il cosmo”, ha spiegato Troullinos, descrivendo come corregge i progetti insieme al suo team prima della produzione in grandi quantità dei chip per computer.

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L’analogia astrofisica è appropriata, se si considera che le dimensioni dei transistor dei processori Intel Core di quinta generazione sono 14 miliardesimi di metro.

“Prendiamo qualcosa che include un miliardo di oggetti e poi ci concentriamo su mille di questi, che è come zoomare un milione di volte”, ha affermato.

Mark Bohr, Intel Senior Fellow, ha illustrato in un recente video cosa significa trovarsi in uno spazio circondato da transistor che misurano 14 nanometri.

Oggi, ogni volta che Troullinos inizia a lavorare su una futura architettura di chip, opera in un universo infinitesimale in cui i transistor misurano 10 e persino 7 nanometri. Sottolinea che la distanza del reticolo cristallino del silicio è di 0,54 nanometri. Per mettere questo dato in prospettiva, il diametro di un capello è di circa 75 micron, che equivale a 75.000 nanometri.

“Lavoriamo spesso su architetture che sono avanti di due generazioni rispetto alla produzione”, ha dichiarato.

Invisibili a occhio nudo, i transistor e i livelli di connettori interlacciati malfunzionanti richiedono strumenti software sofisticati in continua evoluzione per tenere il passo con la Legge di Moore, secondo la quale il numero di transistor raddoppia ogni due anni mantenendo invariate le dimensioni del silicio.

Ciò avviene perché gli ingegneri continuano a trovare nuovi modi per realizzare transistor più piccoli ed efficienti, ma Troullinos, come molti altri in questo campo, afferma che questo obiettivo diventa sempre più difficile da realizzare.

“L’ingegneria è l’arte e la scienza di risolvere problemi seri e di trovare soluzioni per problemi eccezionalmente difficili fino a raggiungere quasi la perfezione”, ha affermato Troullinos, che è entrato in Intel nel 1996. Ha studiato ingegneria elettronica all’università Aristoteleion Panepistimion Thessalonikis in Grecia prima di acquisire un PhD in scienze informatiche a Syracuse. In Intel, è conosciuto per aver contribuito a progettare uno strumento che raddoppia il layout di un chip, consentendone un’analisi più veloce e collaborativa.

“Gli strumenti software sono importanti quanto la tecnologia che viene creata”, ha commentato. “Consentono infatti di gestire la complessità”.

Secondo lui, gli strumenti non sono perfetti, ma continuano a evolversi e a migliorare perché devono preparare il terreno per la Legge di Moore.

Anche se i guru della scienza diventati star della TV Adam Savage e Jamie Hyneman hanno fatto satira sulla Legge di Moore in un video del 2007 per Intel, la nanoscienza che porterà la Legge di Moore nel futuro è sempre più noiosa e complicata.

Troullinos afferma che, oltre a dover gestire circuiti più piccoli ogni due anni, deve anche risolvere le molteplici complessità generate dall’integrazione di funzioni analogiche e digitali più intricate, per non parlare della fusione delle CPU (Central Processing Unit) con la grafica o con LTE (le comunicazioni wireless di quarta generazione).

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“Il mondo reale è analogico e abbiamo creato il digitale per semplificare le cose o renderle più controllabili”, ha spiegato. “L’analogico è graduale e continuo, mentre il digitale è limitato a specifici valori, così come il binario è limitato a due: on o off, sì o no”.

Prima del passaggio in produzione, un’architettura di chip deve soddisfare standard di qualità. Ed è qui che Troullinos e il suo team utilizzano la “penna” software, che è cinque volte più spessa del circuito più sottile a cui stanno attualmente lavorando.

Secondo lui, è come provare a risolvere un problema in uno spazio scuro e stretto. È necessario innanzitutto identificare l’area instabile, quindi ingrandirla e illuminarla prima di poter effettuare le riparazioni.

“Questa procedura veniva eseguita manualmente, ma stiamo cercando di utilizzare sempre più spesso le macchine”, ha affermato.

“Dopo 12-25 volte che correggiamo una piccola parte di un chip possiamo addestrare le macchine tramite apprendimento automatico per risolvere i problemi”.

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Queste immagini mostrano l’avanzamento di una correzione apportata di recente su una parte di un chip da 10 millimetri. Il blocco è circa 50 milioni di volte più piccolo del chip effettivo, che è costituito da un totale di 1000 geometrie che devono essere costruite con una perfezione quasi assoluta. Questa riparazione è stata eseguita in una giornata con l’aiuto degli ingegneri di USA, Costa Rica e Penang che lavoravano in parallelo.

“Le procedure che prima richiedevano diversi giorni o settimane possono ora essere completate in un giorno”, ha spiegato Troullinos.

Senza questi strumenti software, sarebbe difficile mantenere in vita la Legge di Moore, ha aggiunto.

Alla base della perfezione secondo Troullinos c’è il cambiamento, qualcosa che considera essenziale nella vita e nell’elettronica.

“Il cambiamento è necessario”, ha affermato. “Un mondo perfetto richiede il caos. All’interno dei circuiti, gli aspetti del cambiamento li fanno funzionare. È così che prendono vita”.

 

Nota del redattore: questo video mostra David Pivin, Analysis Engineer di Intel, che cerca i difetti nei chip già integrati sui wafer di silicio. “Il mio lavoro consiste nel trovare il classico ago nel pagliaio, e cerco un singolo ago in un milione di fili di paglia”, ha spiegato. “Oggi a 22 e a 14 nanometri, i difetti sono talmente piccoli da essere quasi invisibili”.

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