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Il Silicio è il secondo elemento più abbondante della crosta terrestre dopo l’ossigeno; è la sabbia dei nostri mari, il vetro delle nostre finestre; ma come abbiamo imparato nei nostri video precedenti è sfruttato anche per la sua caratteristica di semiconduttore, infatti è l’elemento principale di pannelli fotovoltaici, diodi, tiristori e transistor; questi ultimi in particolare (nella loro versione mosfet) sono il componente fondamentale per la realizzazione dell’unità centrale di elaborazione, quella che noi tutti conosciamo come CPU.
In questo video vedremo come è prodotta una CPU, come funziona, e perché è alla base di ogni dispositivo elettronico digitale.
Jaes, impegnata da oltre 10 anni nel settore delle forniture industriali, offre nel suo catalogo ogni tipo di scheda elettronica, PLC (Controllore logico programmabile), PCB (Circuito stampato), e DCS (Sistema di controllo distribuito), per poter realizzare sistemi di controllo industriale.
Partiamo dall’infinitamente piccolo.
Tramite sofisticate tecnologie, il silicio viene purificato e viene modellato in sottili lamelle chiamate wafer, dopo di che vengono inseriti atomi di elementi diversi. Questa operazione prende il nome di Drogaggio.
In questo modo, grazie alla presenza di impurità nel suo reticolo cristallino, il silicio diventa un semiconduttore.
Il silicio appartiene al gruppo 14 della tavola periodica degli elementi e possiede quattro elettroni di valenza, formando un reticolo cristallino molto regolare . Se gli atomi droganti appartengono a elementi del gruppo 13 (quindi a tre elettroni di valenza), come boro o gallio, si ottiene un semiconduttore di tipo P e si crea una lacuna. Se invece si usano elementi del gruppo 15 (con cinque elettroni di valenza) come fosforo o arsenico, si ottiene un semiconduttore di tipo N e ci sarà un elettrone libero nel reticolo cristallino.
Un transistor Mosfet è composto:
- Da un wafer di silicio drogato come mostrato, con un parte di semiconduttore di tipo P e due di tipo N
- Da uno strato di ossido di silicio che funziona da isolante
- e da uno strato conduttivo di silicio policristallino
Sono presenti poi, tre terminali:
- quello centrale è collegato al silicio policristallino e viene chiamato “gate”
- mentre gli altri due sono collegati alle due parti di wafer di tipo N, e sono chiamati source e drain
La zona di contatto fra un semiconduttore di tipo P con uno di tipo N è detta “zona di svuotamento”.
In questa sottile zona, gli elettroni liberi dello strato N riempiranno le lacune dello strato P, creando una zona dove non ci sono elettroni liberi o lacune.
Raggiunta una situazione di equilibrio, la zona di svuotamento del lato N diventa carica positivamente e la zona del lato P diventa carica negativamente. Si genera perciò un campo elettrico, che è una barriera per un ulteriore scambio, e si comporta dunque come un isolante.
In fatti, se applichiamo una carica elettrica nei due terminali esterni, l’elettricità non può scorrere.
Se però aggiungiamo una carica elettrica anche al gate, si viene a formare un campo elettrico che attrae a se gli elettroni liberi dello strato di tipo P.
In questo modo, si viene a formare nei pressi del gate, una nuova zona di tipo N che fa da comunicazione tra source e drain e la corrente elettrica può passare.
Il transistor Mosfet può quindi gestire il passaggio di corrente e quindi accendersi e spegnersi.
In questo video vedremo come è prodotta una CPU, come funziona, e perché è alla base di ogni dispositivo elettronico digitale.
Jaes, impegnata da oltre 10 anni nel settore delle forniture industriali, offre nel suo catalogo ogni tipo di scheda elettronica, PLC (Controllore logico programmabile), PCB (Circuito stampato), e DCS (Sistema di controllo distribuito), per poter realizzare sistemi di controllo industriale.
Partiamo dall’infinitamente piccolo.
Tramite sofisticate tecnologie, il silicio viene purificato e viene modellato in sottili lamelle chiamate wafer, dopo di che vengono inseriti atomi di elementi diversi. Questa operazione prende il nome di Drogaggio.
In questo modo, grazie alla presenza di impurità nel suo reticolo cristallino, il silicio diventa un semiconduttore.
Il silicio appartiene al gruppo 14 della tavola periodica degli elementi e possiede quattro elettroni di valenza, formando un reticolo cristallino molto regolare . Se gli atomi droganti appartengono a elementi del gruppo 13 (quindi a tre elettroni di valenza), come boro o gallio, si ottiene un semiconduttore di tipo P e si crea una lacuna. Se invece si usano elementi del gruppo 15 (con cinque elettroni di valenza) come fosforo o arsenico, si ottiene un semiconduttore di tipo N e ci sarà un elettrone libero nel reticolo cristallino.
Un transistor Mosfet è composto:
- Da un wafer di silicio drogato come mostrato, con un parte di semiconduttore di tipo P e due di tipo N
- Da uno strato di ossido di silicio che funziona da isolante
- e da uno strato conduttivo di silicio policristallino
Sono presenti poi, tre terminali:
- quello centrale è collegato al silicio policristallino e viene chiamato “gate”
- mentre gli altri due sono collegati alle due parti di wafer di tipo N, e sono chiamati source e drain
La zona di contatto fra un semiconduttore di tipo P con uno di tipo N è detta “zona di svuotamento”.
In questa sottile zona, gli elettroni liberi dello strato N riempiranno le lacune dello strato P, creando una zona dove non ci sono elettroni liberi o lacune.
Raggiunta una situazione di equilibrio, la zona di svuotamento del lato N diventa carica positivamente e la zona del lato P diventa carica negativamente. Si genera perciò un campo elettrico, che è una barriera per un ulteriore scambio, e si comporta dunque come un isolante.
In fatti, se applichiamo una carica elettrica nei due terminali esterni, l’elettricità non può scorrere.
Se però aggiungiamo una carica elettrica anche al gate, si viene a formare un campo elettrico che attrae a se gli elettroni liberi dello strato di tipo P.
In questo modo, si viene a formare nei pressi del gate, una nuova zona di tipo N che fa da comunicazione tra source e drain e la corrente elettrica può passare.
Il transistor Mosfet può quindi gestire il passaggio di corrente e quindi accendersi e spegnersi.
Questa semplice operazione è alla base di tutta la tecnologia, dove ogni accensione o spegnimento vengono interpretati come degli 0 e degli 1 che formano i codici binari dei nostri sistemi informatici.
Ogni cpu infatti possiede miliardi di transistor disposti in maniera diversa, in modo da formare le porte logiche più disparate.
Le porte logiche messe in successione possono risolvere i problemi computazionali più difficili.
Oltretutto, ogni secondo i transistor si accendono e spengono a velocità dell’ordine del gigahertz (GHz), cioè miliardi di volte al secondo. Questa velocità è detta clock, e più è elevata, più può essere performante la cpu, a scapito delle temperature.
Sotto la cpu sono presenti dei pin che attaccati alla scheda madre ricevono e portano istruzioni e comandi ai vari componenti del computer.
La Ram cioè “Random Access Memory” ovvero memoria ad accesso casuale, è la componente che lavora più a stretto contatto con la cpu; ed insieme ad essa genera il “Ciclo di fetch-execute”, il funzionamento logico dei processori dei computer.
- Esso consiste in una prima fase detta “Fetch”, dove la cpu recupera i dati dai vari indirizzi della Ram tramite dei bus che vengono poi depositati nei Register della CPU che trattengono l’istruzione temporaneamente così che possa essere decodificata ed eseguita.
- Poi si passa alla fase “Decode” in cui la CPU analizza i dati per poterli utilizzare.
- Dopo di che si passa alla fase di “Execute”, in cui i dati decodificati vangono processati nelle porte logiche della CPU; a questo punto i nuovi dati vengono ritrasferiti sulla Ram e il ciclo si ripete.
A questo punto i dati elaborati possono passare tramite la scheda madre alle varie componenti del pc come: scheda grafica, memoria a stato solido, controller usb, circuiti di gestione dell’alimentazione, scheda wireless, ecc…
Grazie all’avanzamento della tecnologia tutte queste periferiche si stanno incentrando in un unico chip di silicio grazie a dei System-on-a-Chip (SoC), un sistema su circuito integrato in cui un solo chip integra, oltre al processore centrale, anche alti chipset e controller come quello per la memoria RAM e della GPU.
In questo modo, grazie alla connessione diretta fra le componenti, si utilizza meno energia, si hanno prestazioni migliori, si ha bisogno di meno spazio fisico ed c’è una maggiore affidabilità.
La tecnologia dunque sta diventando sempre più minuta e performante, tanto che esistono persino enunciati (come la prima legge di Moore) dov’è indicato che la complessità di un microcircuito, misurata ad esempio tramite il numero di transistor per chip, raddoppia ogni 18 mesi (e quadruplica quindi ogni 3 anni).
Fino a che punto pensi che la tecnologia (avendo questo indice di crescita) possa influenzare in futuro la nostra vita?
Rispondici qui sotto nei commenti.
Se questo video ti è stato utile, faccelo sapere lasciando un like e un commento, inoltre puoi condividerlo, e non dimenticarti di iscriverti al nostro canale.
Ogni cpu infatti possiede miliardi di transistor disposti in maniera diversa, in modo da formare le porte logiche più disparate.
Le porte logiche messe in successione possono risolvere i problemi computazionali più difficili.
Oltretutto, ogni secondo i transistor si accendono e spengono a velocità dell’ordine del gigahertz (GHz), cioè miliardi di volte al secondo. Questa velocità è detta clock, e più è elevata, più può essere performante la cpu, a scapito delle temperature.
Sotto la cpu sono presenti dei pin che attaccati alla scheda madre ricevono e portano istruzioni e comandi ai vari componenti del computer.
La Ram cioè “Random Access Memory” ovvero memoria ad accesso casuale, è la componente che lavora più a stretto contatto con la cpu; ed insieme ad essa genera il “Ciclo di fetch-execute”, il funzionamento logico dei processori dei computer.
- Esso consiste in una prima fase detta “Fetch”, dove la cpu recupera i dati dai vari indirizzi della Ram tramite dei bus che vengono poi depositati nei Register della CPU che trattengono l’istruzione temporaneamente così che possa essere decodificata ed eseguita.
- Poi si passa alla fase “Decode” in cui la CPU analizza i dati per poterli utilizzare.
- Dopo di che si passa alla fase di “Execute”, in cui i dati decodificati vangono processati nelle porte logiche della CPU; a questo punto i nuovi dati vengono ritrasferiti sulla Ram e il ciclo si ripete.
A questo punto i dati elaborati possono passare tramite la scheda madre alle varie componenti del pc come: scheda grafica, memoria a stato solido, controller usb, circuiti di gestione dell’alimentazione, scheda wireless, ecc…
Grazie all’avanzamento della tecnologia tutte queste periferiche si stanno incentrando in un unico chip di silicio grazie a dei System-on-a-Chip (SoC), un sistema su circuito integrato in cui un solo chip integra, oltre al processore centrale, anche alti chipset e controller come quello per la memoria RAM e della GPU.
In questo modo, grazie alla connessione diretta fra le componenti, si utilizza meno energia, si hanno prestazioni migliori, si ha bisogno di meno spazio fisico ed c’è una maggiore affidabilità.
La tecnologia dunque sta diventando sempre più minuta e performante, tanto che esistono persino enunciati (come la prima legge di Moore) dov’è indicato che la complessità di un microcircuito, misurata ad esempio tramite il numero di transistor per chip, raddoppia ogni 18 mesi (e quadruplica quindi ogni 3 anni).
Fino a che punto pensi che la tecnologia (avendo questo indice di crescita) possa influenzare in futuro la nostra vita?
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