Informatica: un viaggio nella scienza del nuovo millennio

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 apparecchiatura rivoluzionarie portate (in primis fra tutti il

personale 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 dalle 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

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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 un 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 al 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

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arsenico per milione di atomi di silicio, si hanno circa 10 elettroni

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di conduzione per cm

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 a 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

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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 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.

Oltre una certo valore di differenza di potenziale si ripristina il passaggio di lacune da p a n e di elettroni da

n a p; per cui si crea una corrente elettrica che viene definita corrente diretta, la cui intensità cresce con il

crescere della tensione applicata.

Se, invece, la giunzione è polarizzata inversamente (cioè al polo positivo del generatore è collegato il

semiconduttore di tipo n), la differenza di potenziale amplifica la barriera di potenziale ai lati della

giunzione. Le lacune e gli elettroni sono attratti verso i poli della batteria allontanandosi dalla giunzioni e le

regioni adiacenti ad essa si caricano elettricamente, ma diventano sempre più povere di portatori mobili di

elettricità. Anche nella giunzione polarizzata inversamente vi è un passaggio di corrente dovuto ai portatori

minoritari di carica (la lacune in n e gli elettroni in p), ma questa è in ogni modo molto minore (nell'ordine

del millesimo) di quella della corrente diretta.

Sulla base dei diodi a semiconduttori si è passati alla

creazioni di dispositivi sempre più piccoli (come ad

esempio i transistor, che hanno un ingombro intorno

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al cm ), fino alla creazione dei circuiti integrati.

Un circuito integrato (IC, integrated circuit) è

costituito da un singolo modulo, chiamato chip, di

materiale semiconduttore di pochi millimetri di lato

sul quale è riprodotta e interconnessa la maggior

parte dei componenti di un circuito: resistori, diodi,

transistor, condensatori, ecc.

Tutti questi componenti sono realizzati introducendo

piccole quantità di impurità di diverso tipo in

particolari punti di una singola fetta di silicio puro (wafer), di 10 cm di diametro e spessa circa 1 mm. I

numerosi circuiti così ottenuti (circa un centinaio) vengono poi successivamente divisi). 6

In questi ultimi anni la tecnica della microminiaturizzazione elettronica ha prodotto dei wafer con oltre 10

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componenti elettronici per cm . Con l'uso dei circuiti integrati, il volume di alcune apparecchiature

elettroniche (tra cui i PC), che prima del 1948 (anno dell'invenzione dei transistor) erano realizzate con

valvole termoioniche, è stato ridotto di cinque o sei ordini di grandezza.

Per la loro notevole durata, per il minimo ingombro di spazio, per il basso consumo energetico e per i tempi

di risposta pressoché istantanei, i circuiti integrati hanno aperto la strada, nel caso dei computer, alla

diffusione di massa che oggi conosciamo.

INTERNET: la rivoluzione globale

DA ARPANET AL WWW

Facciamo ora un passo indietro. Il vero boom dell'informatica e dei PC si ebbe, comunque, intorno agli anni

'90 con la creazione della rete oggi conosciuta come Internet. In breve questa creazione (che oggi è un

organismo di dimensioni inimmaginabili) nacque per scopi prettamente militari negli Stati Uniti con il nome

di ARPA. Il suo compito era quello di collegare alcuni laboratori scientifici che si occupavano delle medesime

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ricerche, al fine di collaborare gli uni e gli altri e poter comunicare più facilmente. La rete ARPANET era di

dimensioni molto limitate e contava non più di un centinaio di computer collegati ai suoi inizi (tra il 1960 e il

1967, data della prima trasmissione in ARPA).

Come già detto, però, il vero boom si ebbe negli anni '90 con la creazione, da parte di un ricercatore del

CERN di Ginevra, di Internet come oggi lo conosciamo principalmente: il World Wide Web. Il WWW e il suo

linguaggio specifico (l'HTML) si devono a Tim Barners-Lee, che il 6 agosto del 1991 mise online il primo sito