Cos'è un chip per computer?
Un chip per computer è composto da un minuscolo wafer di materiale semiconduttore con circuiti elettronici integrati. Contiene milioni di componenti elettronici microscopici chiamati transistor che trasmettono segnali di dati. Inizialmente, i chip avevano delle dimensioni fisiche notevoli, pertanto l'informatica era una prerogativa di laboratori nazionali, università o grandi aziende. L'innovazione continua nella tecnologia dei chip per computer ha portato allo sviluppo di processori ad alte prestazioni che supportano qualunque tipo di applicazione avanzata di analisi, grafica e machine learning. Grazie alla riduzione delle dimensioni dei chip, è stato possibile creare computer più piccoli da utilizzare in casa. Oggi i chip per computer sono onnipresenti nelle nostre vite in qualunque dispositivo, dai forni a microonde agli spazzolini da denti.
Come sono prodotti i chip per computer?
I chip per computer sono solitamente prodotti in fabbriche chiamate impianti di fabbricazione, o fabs. Sono realizzati in silicio, un elemento chimico comune che si trova nella sabbia. Il silicio è un semiconduttore: la sua conduttività elettrica si colloca a metà strada tra i metalli come il rame e gli isolanti come il vetro.
Ecco, in breve, le fasi della produzione di un chip.
Estrazione e conformazione del silicio
Le barre di cristalli singoli di silicio sono estratte attraverso fusione e raffinamento della sabbia. Le barre hanno un livello di purezza vicino al 100%. Sono tagliate in chip sottilissimi che vengono poi puliti, lucidati e rivestiti con uno strato di diossido di silicio. Viene poi aggiunto uno strato di un prodotto chimico fotoresistente in cima al wafer di silicio per aumentarne la fotosensibilità. Durante questa procedura sono adottate precauzioni molto rigide per evitare che non ci siano contaminazioni provocate da polvere o altre sostanze. Una volta pronti i chip di base in silicio, vi vengono incisi i circuiti elettronici.
Incisione dei circuiti
Il wafer di silicio è ricoperto da un pannello dove sono tracciati i circuiti, chiamato maschera, e viene esposto a luce ultravioletta. La luce indurisce il materiale fotoresistente esposto nei circuiti tracciati. In seguito, gas caldi sciolgono il materiale esposto per portare alla luce il diossido di silicio sottostante. Rimane un paesaggio in 3D che replica il tracciamento dei circuiti presente sulla maschera.
Nella produzione di chip, l'incisione consiste nella rimozione chimica di strati del wafer, mentre il drogaggio è l'aggiunta di impurità per modificare il wafer. Le procedure di incisione e drogaggio possono essere ripetute centinaia di volte sullo stesso chip per computer, così da creare circuiti integrati più complessi.
Come funzionano i chip per computer?
I chip per computer funzionano trasmettendo segnali elettrici attraverso gli elementi del circuito.
Circuiti integrati analogici
I circuiti analogici trasmettono segnali continui e variabili lungo un periodo di tempo prestabilito. Il segnale di uscita è una funzione lineare dell'input con voltaggi direttamente proporzionali. Questo tipo di circuito integrato è utilizzato per la funzionalità di dispositivi come timer, comparatori, regolatori di voltaggio e amplificatori operazionali. I chip analogici sono utilizzati in generatori di spazzata, oscillatori, amplificatori audio e filtri.
Circuiti integrati digitali
I circuiti digitali trasmettono segnali discontinui o binari. Il voltaggio di uscita può essere alto o basso. Un alto voltaggio rappresenta il valore booleano 1, mentre un basso voltaggio rappresenta il valore 0.
I circuiti digitali sono progettati per eseguire diverse operazioni logiche come AND, OR e NAND. Ad esempio, l'operazione logica OR corrisponde all'addizione booleana, ed è la base delle operazioni di addizione nell'informatica. In pratica, i circuiti integrati digitali formano la base di tutte le operazioni informatiche. Sono fondamentali per tutti i dispositivi programmabili, per le schede logiche, per i microcontrollori e per la memoria.
Circuiti integrati a segnale misto
Esistono chip misti che combinano gli elementi dei chip analogici con quelli dei digitali. Il loro design ibrido permette la realizzazione di chip che possono operare come convertitori digitale-analogico e viceversa. Si tratta di circuiti integrati avanzati che rivestono un ruolo fondamentale nell'informatica moderna.
Circuiti quantistici
I circuiti quantistici sono il prossimo livello dell'evoluzione informatica. Un circuito quantistico è una routine di calcolo che definisce una serie di operazioni quantistiche logiche sui qubit sottostanti, o bit quantistici. I qubit sono rappresentati da particelle quantistiche che si differenziano dai segnali digitali booleani. I segnali booleani possono essere 1 o 0, ma i qubit possono essere utilizzati in una sovrapposizione di stati. I chip con circuiti quantistici costituiscono la base dell'informatica quantistica, una tecnologia emergente.
Quali sono i tipi di chip per computer?
I chip per computer sono classificati in quattro grandi categorie in base alle loro funzionalità.
Chip di memoria
I chip di memoria conservano dati e programmi su computer e dispositivi di archiviazione. I chip RAM offrono una archiviazione temporanea, mentre i dischi flash e a stato solido (SSD) possono conservare le informazioni in modo permanente. Le unità di memoria flash possono conservare dati anche in assenza di corrente elettrica.
Chip logici
I chip logici, o processori, elaborano i dati per completare le attività assegnate. Sono il cervello dei moderni dispositivi elettronici. Le CPU sono i principali chip logici, presenti nei microprocessori dei server e in altro hardware informatico. Tuttavia, i chip logici possono essere progettati per svolgere funzioni specifiche. Ecco alcuni esempi:
- Le unità di elaborazione grafica sono realizzate per ottimizzare la risoluzione video
- Le unità di elaborazione neurale sono progettate per applicazioni di deep learning e machine learning
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ASIC
I chip integrati per applicazione specifica (Application Specific Integrated Chips, ASIC) sono progettati per eseguire routine ripetute di elaborazione per un'applicazione specifica. Questi chip moderni sono prodotti in grandi quantità per apparecchi specifici, come gli scanner di codici a barre. Un altro esempio è il mining di bitcoin, dove gli ASIC eseguono le complesse routine matematiche necessarie per produrre nuovi bitcoin.
SoC
Il sistema su un chip (System on a Chip, SoC) è un nuovo concetto di chip. Tutti i componenti elettronici dell'intero sistema sono integrati in un singolo chip. I SoC hanno capacità maggiori dei microcontrollori. Un microcontrollore solitamente combina la CPU con la memoria e l'elaborazione I/O. Il SoC invece può integrare funzionalità di elaborazione grafica, audio e video.
Qual è il contributo di AWS alle innovazioni dei chip per computer?
Amazon Web Services (AWS) ha investito per anni nella progettazione di chip per computer personalizzati ottimizzati per il cloud. Oggi, Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) offre istanze alimentate da processori progettati da AWS e ottimizzati per una serie di carichi di lavoro ad alta intensità di calcolo, memoria e archiviazione. Amazon EC2 offre anche chip appositamente sviluppati per addestramento e inferenza di machine learning (ML).
Ecco altre innovazioni di AWS:
- AWS Nitro System è la piattaforma sottostante per la prossima generazione di istanze Amazon EC2. Permette di innovare a ritmi più rapidi, ridurre ulteriormente i costi per i clienti e offrire vantaggi aggiuntivi come maggiore sicurezza e nuovi tipi di istanze.
- I processori AWS Graviton offrono le migliori prestazioni in termini di prezzo per le tue applicazioni. Le istanze basate su AWS Graviton offrono prestazioni fino al 40% superiori rispetto a istanze analoghe basate su x86.
- Gli acceleratori AWS Inferentia sono progettati per fornire prestazioni elevate a costi più bassi per le applicazioni di inferenza di deep learning (DL).
- I chip di ML AWS Trainium sono progettati per fornire le migliori prestazioni in termini di prezzo per l'addestramento di modelli di deep learning nel cloud.
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