Fisica dei computer: calcolatori
Vediamo un “mix” di storia che ha rivoluzionato il mondo dei computer, che ci ha portato a diverse scoperte nel mondo dell’elettronica, è che con il passare del tempo, si è molto avanzata.
I calcolatori sono macchine complesse in grado di elaborare qualunque tipo di informazione, come numeri, testi, suoni e immagini. In realtà, anche le elaborazioni più complesse sono effettuate dal calcolatore dividendole in una sequenza più o meno lunga di operazioni elementari più semplici (istruzioni), che costituisce il cosiddetto programma.Il “cervello” del calcolatore è costituito dalla CPU, unità centrale di elaborazione (o processore) che include, al suo interno, tutti i circuiti necessari per compiere le istruzioni elementari. Le interfacce di ingresso/uscita (o di I/O, dall’inglese Input/Output) sono circuiti digitali che hanno il compito di consentire lo scambio di dati fra il calcolatore e i dispositivi esterni. I più comuni fra questi sono la tastiera, il mouse e il CD-ROM (dispositivi di ingresso) e i terminali video e le stampanti (dispositivi di uscita). Altri comunissimi dispositivi sono le memorie di massa, generalmente dischi magnetici (hard-disk), nei quali vengono memorizzati i dati e i programmi non in uso nell’elaborazione corrente. La CPU, la memoria, e le interfacce sono collegati fra loro mediante una rete di fili di interconnessione chiamata bus. La CPU (Central Processing Unit) o processore Lo sforzo dei progettisti per raggiungere velocità di esecuzione delle istruzioni sempre maggiori ha portato alla realizzazione di processori sempre più complessi, con un numero via via crescente di moduli funzionali interni diversi.. I progenitori degli odierni calcolatori furono tuttavia concepiti già agli inizi del 1600, ben prima dell’invenzione dei transistor. Essi erano di tipo meccanico basati su movimenti di ruote dentate, ed erano in grado di effettuare semplici operazioni aritmetiche. La successiva evoluzione della tecnologia si ebbe con la costruzione dei primi calcolatori elettronici, sotto la spinta delle esigenze belliche, durante la Seconda Guerra Mondiale. I principali componenti di tali calcolatori erano interruttori elettromeccanici (i relè), ed elettronici (diodi e triodi realizzati con valvole). L’utilizzo di questi componenti comportava alcuni limiti: i calcolatori erano, infatti, molto ingombranti (occupavano intere stanze!) e la velocità di elaborazione era limitata dai ritardi introdotti dal movimento delle parti meccaniche. Inoltre, essi consumavano molta energia e l’operazione di programmazione era laboriosa e poco affidabile. L’utilizzo dei dispositivi a semiconduttore ha rivoluzionato molti campi della tecnologia moderna. Uno fra questi è proprio quello dei sistemi di elaborazione, cioè dei calcolatori. L’invenzione del transistor e, successivamente, lo sviluppo delle tecnologie di integrazione su chip, rivoluzionò in pochi anni la tecnologia di realizzazione dei calcolatori. I dispositivi a semiconduttore, diodi e transistor, utilizzati come interruttori elettronici, sostituirono i tubi a vuoto, che divennero ben presto obsoleti.La possibilità di utilizzare un numero sempre maggiore di componenti, a basso consumo ed affidabili, in uno spazio sempre più piccolo, ha costituito la spinta definitiva al progetto e alla realizzazione di sistemi di elaborazione sempre più complessi e potenti, quali quelli che oggi troviamo nelle nostre case. Questa miniaturizzazione sempre più spinta (e le nuove frontiere della nanotecnologia) ha aperto la porta ad applicazioni fino ad ora impensate (elettronica, biomedica, cosmetica)
Scoperta dei semiconduttori e delle loro prime applicazioni
Vediamo nella storia, le varie scoperte nell’ambito dell’elettronica, quindi di tutti gli inventori più importanti che hanno lasciato un “segno” nell’evoluzione e scoperte.
1782 Alessandro Volta introduce la parola “semiconduttori” osservando la velocità con la quale un elettrometro si scarica se uno dei suoi terminali viene toccato con materiali diversi: i metalli lo fanno istantaneamente, gli isolanti non lo scaricano e i semiconduttori lo scaricano molto lentamente.
1833 Faraday nota che la conducibilità di alcuni materiali aumenta all’aumentare della temperatura.
1873 Willoughby Smith osserva che la conducibilità del selenio cambia se viene illuminato.
1874 Ferdinand Braun (professore a Marburg, Germania) inventa i primi diodi a cristallo e determina le proprietà rettificanti di contatti a baffo di gatto tra un metallo e la galena (PbS). Questa è la prima giunzione metallo-semiconduttore e il primo diodo a semiconduttore.
1897 J.J. Thomson scopre l’elettrone.
1901 Viktor Emaneuel Riecke scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli elettroni.
1907 Karl Baedeker conclude che la concentrazione degli elettroni e il carattere metallico dello ioduro di rame aumentano con la temperatura.
1931 Alan Wilson (Università di Cambridge) propone una teoria a bande dei solidi e descrive il comportamento dei semiconduttori nell’ambito di questa teoria. Introduce il concetto di impurezze donori ed accettori.
