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MicroprocessoriSilicioIntroduzioneElemento metallico di simbolo Si e numero atomico 14, appartenente al gruppo IVA (o 14) della tavola periodica. Appartiene alla classe dei semiconduttori. Proprietà
Il silicio elementare si presenta sotto forma di una polvere amorfa marrone o in
cristalli grigi. Si ottiene per riscaldamento della silice SiO2 (diossido di
silicio) con un agente riducente, come carbonio o magnesio, in fornace
elettrica. Allo stato cristallino ha durezza 7, fonde a 1410 °C, bolle a 2355
°C, ha densità relativa 2,33 e peso atomico 28,086. Fonti di silicio nella crosta terrestre (minerali che lo contengono)Molto abbondante nella crosta terrestre, il silicio non si trova in natura allo stato elementare, ma solo come diossido o come silicato. I minerali che lo contengono rappresentano il 40% di tutti i minerali e il 90% dei minerali costituenti le rocce laviche. Il diossido di silicio esiste in tre forme cristalline diverse: il quarzo, di cui sono note molte varietà la cristobalite e la tridimite. I silicati di alluminio, calcio e magnesio sono invece i componenti principali dell'argilla, del suolo e delle rocce: si ritrovano sotto forma di feldspati , anfiboli , pirosseni, miche, zeoliti, e pietre preziose e semipreziose come olivina, granato, zircone, topazio, e tormalina. Usi
Il silicio viene usato in lega con l'acciaio e viene impiegato come disossidante
nella lavorazione di quest'ultimo materiale. Data la sua abbondanza in natura e
la possibilità di controllare le sue proprietà elettriche, il silicio trova
importanti impieghi nell'industria elettronica per la produzione di transistor e
di circuiti integrati. Semiconduttori
Introduzione
Transistor Introduzione In elettronica, dispositivo a semiconduttore utilizzato nei circuiti di amplificatori, oscillatori, rivelatori e di numerosi altri strumenti per telecomunicazioni. Si tratta di un componente a stato solido costituito da un sottile frammento di cristallo semiconduttore, di solito germanio o silicio, suddiviso in tre zone distinte (terminali), con caratteristiche fisiche diverse. Prima della sua invenzione, le apparecchiature elettroniche erano basate sull'uso dei tubi a vuoto a effetto termoionico, degli amplificatori magnetici e di particolari condensatori utilizzati anch'essi come amplificatori. Semiconduttori di tipo p-n
Se, in uno stesso cristallo, vengono realizzate una zona p e una zona n
adiacenti, si crea una “giunzione p-n”. Le proprietà di questo particolare
sistema fisico sono alla base del funzionamento del diodo a semiconduttore, un
dispositivo generalmente utilizzato come raddrizzatore nei circuiti a corrente
alternata. Esso infatti presenta un’altissima resistenza al passaggio della
corrente in una direzione e una resistenza pressoché trascurabile in direzione
opposta; applicando una tensione di polarità opportuna, è possibile determinarne
il comportamento di conduttore o isolante. Componenti e
funzionamento di un transistor I transistor: dai circuiti integrati all'utilizzo nei microprocessoriIl transistor
rispetto al triodo a vuoto è molto più piccolo, meno costoso, assorbe meno
energia dato che non c'è alcun filamento da scaldare, è più sicuro perché
funziona con tensioni più basse. Per queste ragioni il transistor, inventato nel
1947, ha rapidamente soppiantato i tubi a vuoto in quasi tutte le applicazioni.
Il transistor, quindi, è il più importante componente elettronico attivo, cioè è
in grado di amplificare un segnale traendo l'energia da una sorgente esterna (il
generatore di tensione che lo alimenta). Esso è alla base di circuiti
amplificatori, oscillanti e discriminatori. Combinando opportunamente questi
circuiti fra loro è possibile realizzare un'infinità di apparecchi in grado di
elaborare il segnale in ingresso nei modi più svariati. I progressi qualitativi
dell'elettronica degli ultimi decenni sono da ricondurre principalmente ad un
aumento della complessità dei circuiti, in cui vi sono molti singoli elementi
che risolvono problemi specifici. Sviluppi recenti
Sul finire degli anni Sessanta lo studio e la progettazione di giunzioni a
semiconduttore ricevettero un forte impulso dalla nuova tecnologia dei circuiti
integrati, che ha reso possibile la realizzazione di componenti elettronici
complessi, costituiti da aree drogate e giunzioni p-n di proporzioni
piccolissime, impiantati su un'unica lastrina di silicio. Fu quindi possibile la
produzione di dispositivi di dimensioni equivalenti a quelle di un unico
transistor, funzionanti quanto un sistema complesso di 15 o 20 di tali elementi.
MicroprocessoriLa nascita di un microchip
Tutti i microprocessori vedono la luce a partire da un mucchietto di schegge di
quarzo e da una sorgente di carbonio, di solito carbonella o carbone. Il quarzo,
composto in gran parte da silicio, è uno dei minerali più abbondanti e diffusi
in tutto il mondo. La carbonella è altrettanto diffusa: per produrla bastano
della legna e un forno adeguato. Questo fa sì che il silicio possa essere
prodotto ovunque. Quindi poniamo il caso che la nostra CPU cominci la propria
vita in una fabbrica brasiliana, nella forma di parti di quarzo e carbone. Dopo
esser stati riscaldati in una fornace elettrica fino a 2000 gradi centigradi,
silice e carbone cominciano la fusione fino a formare silicio fuso e diossido di
carbonio. Cos'è un microprocessore?
Un processore è un singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni
di calcolo o di elaborazione dell'informazione; il microprocessore principale di
un computer viene chiamato processore o CPU; il microprocessore che si occupa
delle operazioni legate alla visualizzazione delle informazioni in un computer
viene chiamato GPU o VPU. Struttura e funzioni
Un microprocessore è realizzato su una singola lastrina di silicio, detto wafer
o chip, opportunamente protetta da un contenitore di pochi centimetri per lato.
Nonostante le piccole dimensioni, riunisce centinaia di migliaia di componenti e
può essere programmato per svolgere un gran numero di funzioni. L'Arithmetic Logic Unit (ALU) è un'unità dedita allo svolgimento di operazioni matematiche ed è formata da un insieme di porte logiche opportunamente collegate. Queste porte logiche nel loro complesso provvedono ad eseguire tutte le operazioni aritmetiche e logiche gestite dal microprocessore.
Le prime ALU erano in grado di eseguire nativamente solo le operazioni più
semplici (addizione, sottrazione e shifting di bit ecc.) e le operazioni logiche
booleane (AND, OR, XOR e NOT). Le operazioni più complesse come le operazioni di
moltiplicazioni o divisione venivano emulate utilizzato ripetutamente somme o
sottrazioni. Con l'evolvere dell'elettronica si è riuscito a integrare nelle ALU
anche le operazioni di divisione e moltiplicazione.
La Floating Point Unit (FPU), unità di calcolo in virgola mobile è una
parte della CPU specializzata nello svolgere i calcoli in virgola mobile.
La Memory Management Unit (MMU) in un processore ha vari compiti, tra cui la traslazione (o traduzione) degli indirizzi virtuali in indirizzi fisici (necessaria per la gestione della memoria virtuale), la protezione della memoria, il controllo della cache della CPU, l'arbitraggio del bus, e, in architetture più semplici (specialmente nei sistemi a 8-bit), la commutazione di banchi di memoria. Un microprocessore dispone inoltre di interfacce per collegarsi a memorie esterne e ad altri sistemi. Esso attinge i dati e le istruzioni da eseguire alla memoria centrale, quindi procede con le elaborazioni e restituisce i dati ottenuti alla memoria centrale. La velocità di esecuzione di questo complesso di operazioni dipende dalla frequenza di clock e dall’architettura del sistema; la prima si misura in MHz (megahertz), la seconda, in bit. Tipi di microprocessoriIl principale criterio di classificazione dei microprocessori è il numero di bit di informazione che possono essere trasferiti "in parallelo" (contemporaneamente) e conservati nei registri interni. Questo numero è in continuo aumento, grazie allo sviluppo della tecnologia dei circuiti; attualmente sono comuni microprocessori a 8, 16 e 32 bit, e sono già stati sviluppati integrati a 64 bit.
Tipi di architetturePremessa: in informatica con il termine architettura si intende la combinazione degli elementi hardware che costituiscono la struttura di un computer. Nel campo dei microprocessori si distinguono diversi tipi di architetture: l'architettura CISC (Complex Instruction Set Computing) permette di elaborare istruzioni complesse, ma in tempi relativamente lunghi, che vengono essenzialmente impiegate a risolvere, per un numero enorme di volte, un ristretto gruppo di istruzioni (il 20% di tutte le eseguibili). Proprio per permettere al computer di eseguire rapidamente un limitato numero di istruzioni, occorrenti frequentemente, è stata ideata l'architettura RISC (Reduced Instruction Set Computing): è un tipo di architettura a pipeline, capace di disporre nuove istruzioni per il processore già durante l'esecuzione dell'istruzione corrente. Se un sottosistema a disco usa una memoria per pre-caricare e mantenere le informazioni, si dice dotato di architettura cache.
Come ragiona un microprocessore?Facciamo un esempio di un semplice calcolo: il processore per prima cosa carica uno dei numeri in uno dei suoi registri, poi ne carica un altro in un secondo registro. Quindi legge l’istruzione di programma che dice al chip quale particolare operazione deve essere svolta (ad esempio una somma). L’istruzione attiva un altro minuscolo programma che si trova all’interno di una speciale unità di decodifica che impone ai circuiti del chip di calcolare il risultato dell’operazione e di porlo in un altro registro. Calcolato il risultato una successiva istruzione permette l’uscita della risposta verso la memoria Ram e di qui verso un'unità di Output (il monitor od una stampante). In pratica quindi un processore “ragiona” in termini seriali, ossia esegue un determinato numero di istruzioni una di seguito all’altra richiamando dati dalla memoria Ram di sistema ed emettendo dati ad operazione effettuata.
Breve storia dei microprocessoriIl primo microprocessore mai realizzato fu l'Intel 4004, che lavorava con parole di soli 4 bit: fu progettato dal vicentino Faggin, Ted Hoff e Masatoshi Shima e i primi prototipi videro la luce nel gennaio del 1971. Fu un successo limitato, ma i successivi Intel 8008 e 8080, che invece usavano parole di 8 bit (un byte, finalmente) riscossero molto più interesse. Nel 1974 Faggin, che nel frattempo alla Intel era divenuto il responsabile di tutti i progetti di circuiti integrati, lascia la Intel per fondare la Zilog, che nel 1976 lancia il processore Z80, che sarà il cuore di molti home computer del decennio successivo.
Il successo dello Z80 è immediato, ed eclissa in pratica la serie 8080 della
Intel. Successivamente la Motorola e altri concorrenti entrarono nel mercato,
sviluppando altri tipi di microprocessori tutti con registri a 8 bit. IBM scelse
l'Intel 8088 per il suo primo PC. La Apple invece si basò sui chip della
famiglia Motorola 68000 per i suoi prodotti della serie Macintosh. L'italiana
Olivetti scelse lo Z8000 anticipando di un anno l'uscita del primo PC IBM ... se
avesse scelto l'Intel anziché lo Zilog, l'Italia avrebbe immesso per prima il
noto PC sul
Prospettive futureIl futuro del microprocessore dipende essenzialmente dallo sviluppo della nanotecnologia. I più recenti risultati della ricerca in questo campo permetteranno presto di realizzare microprocessori straordinariamente veloci: Intel, che ha da poco creato transistor da 20 nm (1 nm = 1 miliardesimo di metro), prevede di poter stipare fino a 1 miliardo di questi dispositivi in un microprocessore, raggiungendo frequenze prossime ai 20 GHz (1 GHz = 1 miliardo di Hz). Inoltre, sempre nell’ambito delle applicazioni della nanotecnologia, è stato recentemente messo a punto un nuovo tipo di transistor detto “ibrido”, costituito da due strati di polimeri separati da uno strato metallico e attraversati da nanocavi del diametro di circa 100 nm. Il dispositivo, completato da due contatti alle estremità, si adatta alla realizzazione di dispositivi su scala nanometrica quali transistor a effetto di campo e diodi a emissione di luce. Accanto alle ricerche volte a miniaturizzare e potenziare le prestazioni del microprocessore, sono in corso studi finalizzati a rendere questo dispositivo sempre più pratico ed economico: è infatti in via di perfezionamento in Europa una tecnologia per la produzione di microprocessori in plastica, realizzati con un procedimento analogo a quello della stampa a getto di inchiostro.
Claude Elwood ShannonVitaShannon, Claude Elwood (Gaylord, Michigan 1916 – Medford, Massachusets 2001), matematico e ingegnere elettronico statunitense, considerato il fondatore della teoria dell'informazione. Shannon frequentò l'Università del Michigan e nel 1940 ottenne il dottorato in matematica presso il Massachusetts Institute of Technology.
ScrittiNel 1948 pubblicò un articolo che segnò la storia della teoria dell’informazione: The Mathematical Theory of Communication (La teoria matematica della comunicazione); in esso Shannon proponeva una teoria globale della trasmissione e dell'elaborazione delle informazioni, intendendo con quest’ultimo termine qualsiasi tipo di messaggio, inclusi quelli inviati dal sistema nervoso degli organismi viventi.
La teoria dell'informazioneA Shannon si deve l’ideazione del sistema matematico che permette oggi di analizzare, esprimere, proteggere, immagazzinare e inviare informazioni mediante i moderni sistemi di telecomunicazioni ed elaborazione; basti pensare che fu sua l’idea di adottare il sistema binario come codice logico dei sistemi informatici, e fu ancora lui a dare il nome di “bit” all’unità fondamentale di informazione. Inoltre allo stesso Shannon si deve anche una delle prime definizioni sperimentali della possibile simulazione da parte di una macchina di una complessa attività intelligente, quale può essere ad esempio il gioco degli scacchi. Tale esperienza (pubblicata nel 1950) conduce ad affermare che non è possibile costruire un ottimo giocatore artificiale (per il numero estremamente elevato di mosse da calcolare), ma è possibile pensare a un buon giocatore che selezioni le mosse secondo strategie definite. In definitiva, le ricerche di Shannon pongono in termini operativi il problema del rapporto differenziale fra cervello umano e macchina calcolatrice.
Brano: "Le differenze tra cervello e calcolatore"Nel brano si possono individuare cinque differenze rilevanti fra il cervello e i calcolatori. Una differenza di dimensioni: il numero dei componenti dei calcolatori si presenta a sei ordini di grandezza rispetto a quello dei componenti del cervello. Una differenza di organizzazione strutturale: quella dei calcolatori è molto più strutturata di quella del cervello. Una differenza di affidabilità: il cervello è affidabile molto più a lungo dei calcolatori. Una differenza di organizzazione logica: il cervello si organizza da sé e si adatta a situazioni molto diverse. Una differenza di dispositivi di ingresso e uscita: il cervello, grazie all'orecchio e all'occhio, e ai muscoli e alle ghiandole, ha un rapporto molto più complesso in entrata e in uscita con l'ambiente rispetto a qualche robot.
Bibliografia
Eventuali approfondimenti si possono reperire ai seguenti indirizzi: Il sito della Intel offre informazioni sulla società, sui suoi prodotti e sulle novità presentate (in lingua inglese). Il sito offre le ultime notizie dal mondo della ricerca IBM (in lingua inglese). L'American Istitute of Physics invita a una mostra online dedicata al transistor, con informazioni sulla sua evoluzione, un glossario, la biografia di scienziati e tecnici che contribuirono alla sua nascita e giochi interattivi (in lingua inglese). Luca Barbaglia Libri
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