Informatica: un viaggio nella scienza del nuovo millennio

Informatica

Viaggio nella scienza del nuovo millennio

Alessandro Longoni

5^B, A.S. 2010/2011

Sommario

Introduzione pag. 1

• Semiconduttori: gli elementi che hanno cambiato il mondo pag. 1
• Fisica dello stato solido pag. 1
• I semiconduttori drogati pag. 2
• I diodi a semiconduttori e i circuiti integrati pag. 2
• Internet: la rivoluzione globale pag. 3
• Da ARPANET al WWW pag. 3
• La rivoluzione del web: “Io sono colei che mi si crede” pag. 4
• Un antesignano del web: Luigi Pirandello pag. 5
• Uno, nessuno e centomila pag. 6
• E se fosse vissuto con Internet? pag. 7
• AI: Artificial Intelligence. Sogno o realtà? pag. 7
• Un computer può pensare? pag. 7
• La svolta di Turing pag. 7
• Contrordine: la stanza cinese di Searle pag. 8
• Conclusioni odierne: AI forte e AI debole pag. 8
• Gli sviluppi futuri pag. 9
• Bibliografia pag. 10

Introduzione

Storicamente ogni stagione di intenso sviluppo industriale ha coinciso con un prodotto o un elemento simbolo, che ne sintetizza emblematicamente i caratteri: il telaio meccanico per la prima rivoluzione industriale inglese, l’acciaio e l’elettricità per la seconda; a cavallo degli anni ’70-’80 del secolo scorso l’emblema fu rappresentato dall’informatica.

I caratteri di questa nuova scienza, e con essa le apparecchiature rivoluzionarie portate (in primis fra tutti il personal computer), sono stati talmente rivoluzionari che molti studiosi parlano di una vera e propria “rivoluzione informatica” (o digitale). I calcolatori sono entrati non solo nei luoghi di lavoro, ma anche in spazi privati o domestici. La presenza di un computer ha anche cambiato radicalmente il modo di pensare e d’interagire delle persone.

La portata di questo cambiamento fu tale, agli inizi, che nel 1982 l’autorevole rivista “Time” proclamò il computer “personaggio dell’anno”. Questo significa forse che ci troviamo davanti ad una svolta con le epoche precedenti? E se sì, quando si è verificata?

Un punto a favore di questa svolta è da ricercarsi nelle dimensioni che oggigiorno i PC hanno. Nella loro breve vita i computer (o meglio, i calcolatori) sono passati dalle mastodontiche dimensioni originarie (il primo calcolatore del 1946 aveva 18000 valvole e 6000 interruttori, si estendeva per trenta metri in lunghezza, tre in altezza e uno in profondità) all’attuale generazione di microprocessori, tanto da poter essere impiegati in apparecchi sempre più piccoli (come gli smartphone).

Questa grande conquista in termini dimensionali è da attribuirsi soprattutto alle scoperte in ambito fisico sulla conducibilità dei semiconduttori e sull’apporto delle nanotecnologie riguardo la miniaturizzazione dei componenti.

Volendo approcciarsi all’informatica in modo molto elementare, possiamo definire due campi di studio principali: il primo è quello che riguarda la parte hardware, vale a dire le componenti fisiche che costituiscono un computer, il secondo riguarda la parte software, cioè i programmi attraverso i quali vengono sfruttate le potenzialità dell’hardware. Vale bene precisare che i due aspetti sono pressoché inscindibili ed entrambi necessari ad un corretto funzionamento di una qualsiasi macchina.

Semiconduttori: gli elementi che hanno cambiato il mondo

Fisica dello stato solido

Volendo, per adesso, considerare solo la parte fisica del computer, guardando all’interno di quella che in gergo è chiamata “torre”, possiamo notare che è costituita da piccole unità tutte basate sul circuito integrato (ovvero il “chip”). Il funzionamento di tali chip è dato grazie ad un particolare semiconduttore che, cristallizzato e drogato in una certa maniera, si presta perfettamente alle sue funzioni: questo semiconduttore è il silicio.

I semiconduttori come il silicio sono materiali con una resistività intermedia tra i conduttori e gli isolanti: difatti essi possono essere considerati isolanti a temperature molto basse, ma già a temperatura ambiente hanno un’apprezzabile conducibilità elettrica (infatti nei semiconduttori, all’aumentare della temperatura aumenta la conduttività, ma diminuisce la resistività).

Nell’ambito della fisica dello stato solido, i cristalli covalenti formati dai semiconduttori impegnano tutti e quattro gli elettroni di valenza in altrettanti atomi, formando così una banda di valenza completamente piena, entro la quale non può esserci passaggio di elettricità.

A differenza degli isolanti, nei semiconduttori il gap di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione è dell’ordine di 1 eV (1,14 eV per il silicio), gap molto minore di quello di un comune isolante che può arrivare a circa 10 eV.

Per questo motivo, mentre a temperature molto basse i semiconduttori possono essere assimilati agli isolanti, man mano che la temperatura aumenta, alcuni elettroni riescono per agitazione termica a raggiungere l’energia cinetica necessaria per sfuggire alla banda di valenza e raggiungere quella di conduzione.

Per ogni elettrone che raggiunge la banda di conduzione si crea uno stato elettronico libero in quella di valenza che prende il nome di lacuna. Anche le lacune, comunque, contribuiscono al passaggio di corrente.

I semiconduttori drogati

Le proprietà chimiche di un semiconduttore sono però fortemente alterate se nel reticolo cristallino vengono inserite delle impurità: in questo caso si parla di semiconduttori drogati. I semiconduttori drogati possono essere di due tipi: semiconduttori di tipo n e di tipo p.

Nei semiconduttori di tipo n viene introdotto nel reticolo un atomo pentavalente, come ad esempio l’arsenico, e si registra un considerevole aumento della conducibilità elettrica. Infatti dei cinque elettroni di valenza, quattro si legano ad altrettanti atomi del semiconduttore e uno rimane così debolmente legato da potersi considerare libero. Infatti, prendendo il caso dell’arsenico, l’energia necessaria per poter strappare un elettrone all’atomo è dell’ordine di 0,04 eV, cioè pari all’energia cinetica media del moto di agitazione termica. Si può quindi considerare che ogni atomo di impurità “doni” un elettrone di conduzione al semiconduttore, diventando lui stesso uno ione positivo. Per renderci meglio conto del fenomeno basti pensare che con un drogaggio di un atomo di arsenico per milione di atomi di silicio, si hanno circa 10¹⁶ elettroni di conduzione per cm³.

Gli atomi che si comportano come l’arsenico sono chiamati donatori e i semiconduttori drogati con questo sistema vengono definiti semiconduttori di tipo n, dove n sta per negativo, poiché la conduzione è data soprattutto dagli elettroni.

Nei semiconduttori di tipo p (positivo), invece, il silicio (o chi per esso) viene drogato con atomi trivalenti, come il boro e in questo caso la conduzione è dovuta prevalentemente al movimento delle lacune.

Infatti, inserendo un atomo trivalente, esso non riesce a completare tutti e quattro i legami con gli atomi di silicio; si forma così una lacuna, che può essere riempita da un elettrone proveniente da un atomo vicino. In questo modo l’atomo dell’impurità (chiamato anche accettore) si trasforma in uno ione negativo e la lacuna avendo la facoltà di spostarsi può condurre elettricità.

È comunque bene ricordare che entrambi i semiconduttori sono, comunque, elettricamente neutri nel loro insieme, poiché il numero di lacune è bilanciato dal numero di elettroni di conduzione (o viceversa).

I diodi a semiconduttori e il circuito integrato

Alla base del processo tecnologico che ha portato alla miniaturizzazione dei componenti dei computer sta la messa a punto di alcuni dispositivi a semiconduttore che hanno in pratica sostituito i tubi e le valvole ad effetto termoionico che azionavano i primi rudimentali calcolatori e in tutti i sistemi di regolazione e amplificazione dei segnali elettrici a bassa frequenza.

Il più semplice di questi meccanismi è il diodo a semiconduttore che si ottiene mettendo a contatto due semiconduttori dello stesso tipo ma con drogaggio differente (uno di tipo p e l’altro di tipo n). Infatti nella zona di giunzione (detta giunzione p-n) si assiste ad un passaggio di elettroni dal semiconduttore di tipo n a quello di tipo p e un identico passaggio di lacune in senso opposto. In questa maniera il semiconduttore di tipo n si carica positivamente e quello di tipo p negativamente. In questo modo si forma una differenza di potenziale tra i due semiconduttori che impedisce un ulteriore passaggio di cariche.

Collegando la giunzione in modo diretto ad un generatore (cioè il polo positivo con il semiconduttore di tipo p), la differenza di potenziale applicata riduce la barriera che impediva il movimento di lacune ed elettroni.