L’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna e IBM hanno annunciato un’importante iniziativa di ricerca, che vede la partecipazione di numerose organizzazioni europee, con l’obiettivo di far fronte alla crescita allarmante del consumo di energia dei dispositivi elettronici: dai telefoni cellulari ai computer portatili ai televisori ai supercomputer. Il progetto, denominato Steeper, si propone di aumentare di 10 volte l’efficienza energetica di questi dispositivi quando sono in modalità attiva e di eliminare virtualmente il loro consumo di energia quando sono in modalità passiva o di standby.

Coordinato dall’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), il progetto Steeper riunisce organizzazioni eterogenee come il centro di Ricerca di Zurigo, Infineon e Global Foundries, grandi istituti di ricerca quali CEA-LETI e Forschungszentrum Jülich, partner accademici quali l’Università di Bologna, l’Università di Dortmund, l’Università di Udine e l'Università di Pisa e ha il supporto manageriale di SCIPROM.

I ricercatori che collaborano al progetto si dedicheranno ai transistor ad effetto di campo (TFET) ed ai “semiconducting nanowires”, per ottenere un utilizzo più efficiente dell'energia nell’elettronica. Per avere un’idea della portata di questa sfida, basta pensare a un rubinetto che perde acqua - anche dopo aver chiuso la valvola il più possibile, l'acqua continua a gocciolare – questo effetto è simile alla situazione degli attuali transistor, nei quali l'energia “perde” costantemente o viene persa o sprecata quando sono spenti. Nel progetto Steeper, non solo gli scienziati contano di limitare le perdite utilizzando un metodo nuovo per chiudere la valvola o il gate del transistor più efficacemente, ma anche di poter aprire e chiudere il gate in modo da ottenere la corrente massima con un numero minore di rotazioni, cioè ottenere la massima efficienza con una tensione minore.

Secondo l'International Energy Agency (IEA), i dispositivi elettronici attualmente rappresentano il 15 per cento del consumo domestico di elettricità e l'energia consumata dalle tecnologie dell'informazione e della comunicazione, così come dall'elettronica di consumo, raddoppierà entro il 2022 e triplicherà entro il 2030, fino a raggiungere i 1.700 terawatt/ora - pari all’intero consumo di elettricità degli Stati Uniti e del Giappone nel 20091.

Particolarmente dispendiosa è l'enorme quantità di consumo in standby. Nell'Unione Europea si stima che il consumo in standby rappresenti già circa il 10% del consumo di elettricità nelle abitazioni e negli uffici degli Stati membri2. Entro il 2020 si prevede che il consumo di elettricità in modalità standby/off salirà a 49 terawatt/ora all'anno, quasi equivalente al consumo annuo di elettricità di Austria, Repubblica Ceca e Portogallo messi insieme3.

"Il nostro obiettivo è condividere questa ricerca per consentire ai produttori di realizzare un computer che utilizzi una quantità di energia trascurabile quando è in modalità sleep, quello che noi chiamiamo il PC zerowatt", ha dichiarato il Prof. M. Adrian Ionescu, Nanolab, Ecole Polytechnique Fédérale di Lausanne, che coordina il progetto. Con il sostegno del 7° Programma Quadro (7th Framework Program - FP7) della Commissione Europea, gli scienziati del progetto Steeper esploreranno nuovi building block su nanoscala per microprocessori per computer, con l’obiettivo di ridurre la tensione di funzionamento a meno di 0,5 Volt, riducendo in questo modo il loro consumo energetico di un ordine di grandezza.

"La dissipazione di potenza è diventata una delle maggiori sfide per l'elettronica di oggi, tanto più quanto il numero di dispositivi utilizzati da aziende e consumatori si moltiplica a livello globale" ha dichiarato il Dr. Heike Riel, che guida il gruppo che si occupa di elettronica su nanoscala presso il centro di Ricerca di Zurigo. "Applicando la nostra ricerca sui TFET con “semiconducting nanowires” puntiamo a ridurre in modo significativo il consumo di energia dei building block di base dei circuiti integrati, che interessano tutti i prodotti, dall'elettronica di consumo più piccola, ai supercomputer di grandi dimensioni."

Che tecnologia serve

Lo sviluppo di dispositivi innovativi, come i transistor “steep slope”, da cui prende il nome il progetto, è in grado di garantire una transizione molto più brusca tra gli stati di acceso e spento, se li si confronta con l’attuale limite di 60mV/decade dei transistor ad effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) a temperatura ambiente.

Questo consente contemporaneamente di ridurre la perdita di subsoglia e di abbassare la tensione di funzionamento. Lo sviluppo di transistor con steep slope di subsoglia ad elevata efficienza energetica, in grado di funzionare in ambito operativo a tensioni inferiori a 0.5V, costituirà un fattore critico nel successo del progetto.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati studieranno lo sviluppo dei cosiddetti TFET basati su silicio (Si), silicio-germanio (SiGe) e “semiconducting nanowires” III-V. Questi ultimi sono strutture cilindriche che misurano solo pochi nanometri (nm) di diametro e che permettono un controllo elettrostatico ottimale del canale dei transistor. In un TFET, viene sfruttato il tunneling band-to-band della meccanica quantistica per far commutare il dispositivo e quindi raggiungere caratteristiche turn-on più ripide rispetto ai MOSFET convenzionali.

Il progetto Steeper valuterà i limiti fisici e pratici dell’aumento delle prestazioni dei TFET con nanocavi III-V, e i vantaggi che ne possono derivare per i futuri circuiti digitali ad elevata efficienza energetica.

Il progetto è partito nel giugno del 2010 e continuerà per 36 mesi.