Per decenni, il progresso dei chip è stato guidato da una semplice regola: rendere i transistor sempre più piccoli. In questo modo, se ne potevano inserire un numero maggiore sulla stessa fetta di silicio (il wafer), aumentando esponenzialmente la potenza di calcolo. Questo processo di riduzione è noto come "shrink" ed è il principio fondante della Legge di Moore, che per 50 anni ha previsto con successo questo aumento di potenza. Oggi, però, la semplice "corsa al nanometro" si scontra con i limiti delle leggi della fisica, spingendo i produttori a inventare nuove architetture e tecnologie di produzione.
Inizialmente, il termine "nanometro" (un miliardesimo di metro) si riferiva alla lunghezza effettiva del gate, l'elemento chiave che controlla il flusso di corrente in un transistor. Tuttavia, già dalla fine degli anni '90, questo significato ha iniziato a perdere valore. In quegli anni, Intel usava un processo chiamato "250 nm" per creare transistor il cui gate misurava in realtà solo 200 nm. Il punto di rottura definitivo arrivò una decina di anni dopo, quando Intel con il suo processo a "45 nm" realizzò gate di appena 25 nm, un limite sotto il quale non si poteva più scendere senza causare problemi.
Oggi, denominazioni come "3 nm" o "5 nm", note come nodi tecnologici, sono sempre più degli strumenti di marketing, piuttosto che descrizioni precise di una dimensione. Ciò che conta veramente è la densità dei transistor, cioè quanti transistor si riescono a stipare in un millimetro quadrato di silicio (misurata in MTr/mm²). Per esempio, il processo "Intel 10nm" raggiungeva una densità superiore ai processi chiamati "7 nm" di Samsung e TSMC.
Per capire il passo successivo, dobbiamo parlare di litografia, la tecnica usata per "stampare" i circuiti sul silicio. È come una fotografia ad alta precisione: si usa una maschera (il negativo) e una luce speciale per trasferire il disegno dei circuiti sul wafer. La dimensione minima che si può stampare (Critical Dimension o CD) dipende dalla lunghezza d'onda della luce.
Per anni si è usata la luce DUV (Ultravioletto Profondo), con una lunghezza d'onda di 193 nm. Spingere il DUV oltre i suoi limiti era diventato estremamente complesso e costoso.
La rivoluzione è arrivata con la litografia EUV (Ultravioletto Estremo), che utilizza una luce con una lunghezza d'onda molto più corta, di appena 13,5 nm. Questo cambio radicale ha permesso di stampare circuiti con dettagli fino a 13 nm, superando di colpo le barriere che limitavano il DUV.
La nuova frontiera della miniaturizzazione è la litografia High NA EUV. Se la prima generazione EUV ha agito sulla lunghezza d'onda della luce, la High NA agisce su un altro parametro fondamentale: l'Apertura Numerica (NA). Prossiamo immaginarla come la grandezza dell'obiettivo di una macchina fotografica: un obiettivo più grande cattura più luce e permette di scattare foto più dettagliate.
Aumentando l'NA da 0,33 a 0,55, i nuovi macchinari EXE di ASML (il leader mondiale in questo settore) possono stampare circuiti con dettagli di appena 8 nm. Questo si traduce in transistor 1,7 volte più piccoli e una densità 2,9 volte superiore rispetto ai sistemi EUV precedenti.
La risoluzione ultra-precisa della High NA EUV non solo permetterà di creare transistor più piccoli ed efficienti dal punto di energetico, ma semplificherà anche il processo produttivo, riducendo i difetti e i costi. Si punta a integrare mille miliardi di transistor all'interno di un singolo chip entro il 2030.
A questa evoluzione nella "stampa" si affiancano innovazioni nel design del transistor stesso, come i FinFET e i GAA (Gate-All-Around), che avvolgono il canale di silicio per controllare meglio il flusso di corrente.
I primi chip realizzati con la litografia High NA EUV saranno probabilmente processori di nuova generazione e memorie ad altissima densità. Questi dispositivi saranno il motore delle tecnologie del futuro: dall'intelligenza artificiale all'Internet delle Cose, dalla robotica all'elettronica di consumo.
