Storia e applicazioni della chimica/Computer

Il computer è un dispositivo che fa parte della nostra vita di tutti i giorni, e fa uso di innovazioni tecnologiche sempre più frequenti per il suo hardware.

Storia del computer

Macchina analitica di Charles Babbage

Il computer è la versione più avanzata degli strumenti di calcolo inventati nell’antichità, tra cui l'abaco. Gli esempi più famosi di macchine calcolatrici nell’età moderna sono la macchina di Pascal nel 1645, la macchina di Leibniz 1672 e la macchina di Wilhelm Schickard di cui purtroppo sono rimasti solo i progetti.

A Charles Babbage si attribuisce il passaggio da una macchina calcolatrice a un computer vero e proprio con la macchina analitica progettata nel 1833 e, sebbene non sia mai stata costruita, è considerata il primo computer della storia. Si trattava di una grande macchina ad ingranaggi, azionata a vapore, dotata di input e output, unità di memoria, unità di calcolo decimale con registro dell’ accumulo dati e sistema di connessione tra le varie parti.

Nei decenni successivi, i computer hanno attraversato diverse fasi di sviluppo: computer analogici, macchine di Turing, computer digitali meccanici ed elettromeccanici, e infine digitali ed elettronici.

Nel XX secolo il campo elettronico ha avuto importanti progressi nel campo della tecnologia e dell'informazione, promuovendo lo sviluppo dei computer ed evolvendo le loro forme da dispositivi elettronici presenti solo nelle aziende a dispositivo di uso comune per tutti gli utenti.

Chimica dei componenti

Per studiare la chimica che c'è dietro ai computer che utilizziamo tutti i giorni analizzeremo i vari componenti separatamente: scheda madre, processore, scheda video, hard disk e RAM.

Scheda madre

Scheda madre

La scheda madre è fondamentalmente formata da un "sandwich" di fogli di fibra di vetro e rame. Per sagomare il rame nelle forme dei circuiti, ognuno di questi singoli strati viene coperto da una pellicola che se esposta alla luce ultravioletta si polimerizza; con questa luce si procede quindi a polimerizzare la pellicola con la forma che il circuito in rame dovrà prendere. Il tutto viene poi immerso in un reagente chimico che lava via la pellicola in eccesso, e il rame non coperto sarà quindi scavato via lasciando solo la sagoma desiderata. Una volta creati tutti gli stati necessari si procede ad unirli in una singola lasta sulla quale si potranno poi applicare tutti gli altri componenti e sottocomponenti.

Processore (CPU)

Processore

Il processore o CPU (central processing unit) è composto per la maggior parte da silicio, ma essendo un semi metallo non conduce l’elettricità in maniera ottimale. Per questo, tramite un processo chiamato "doping silicon", si aggiunge al silicio una piccola quantità di un altro elemento per migliorare la sua conduttività: aggiungendo del boro o dell'arsenico si trasforma il silicio in un semiconduttore di tipo p, mentre se si aggiunge del gallio o del fosforo diventa un semiconduttore di tipo n. Collegando assieme un semiconduttore tipo p e un semi conduttore tipo n si ottiene un transistor, e più transistor vengono collegati assieme da una striscia di rame. Per evitare cortocircuiti si usa il biossido di silicio come isolante, che si ottiene ossidando la superficie del wafer di silicio, ovvero un sottile pezzo di silicio su cui viene costruito tutto il processore. Un altro elemento presente nei processore anche se in piccole quantità è l’oro, che viene utilizzato per rivestire i "pin" del processore. Si usa l’oro perché è un elemento poco reattivo, quindi non ossidandosi a contatto con l’aria manterrà un buon contatto elettrico per un lungo periodo.

Scheda video (GPU)

Scheda video

La scheda video o GPU (graphics processing unit) è il circuito all’interno del computer che serve ad accelerare la creazione di immagini; inoltre la loro struttura le rende molto più efficienti nel fare i calcoli rispetto al processore. La scheda video è presente anche in dispositivi come telefoni e console; nei PC può essere integrata con la scheda madre oppure col processore. Le schede video sono rivestite in silicio con transistor e condensatori in tantalio e palladio in modo da avere una capacità di memorizzazione migliore.

Per i condensatori viene usato il tantalio poiché ha proprietà che lo rendono ottimo per questo compito in termini di resistenza a temperatura, urti, vibrazioni, e una grande capacità elettrica in piccoli volumi. Viene estratto principalmente nella Repubblica Democratica del Congo.

Hard disk e RAM

Per creare un banco di RAM (random access memory) si parte da un lingotto di silicio che viene sagomato e circuitato similmente agli strati di rame della scheda madre tramite un materiale fotosensibile che dà la sagoma al lingotto e un acido che rimuove gli eccessi.

Al termine di questo, le varie sezioni di silicio sono applicate su una scheda insieme ai microcomponenti come transistor e condensatori.

RAM

Gli hard disk di tipo HDD (hard disk drive) sono formati da vari dischi rigidi che possono essere di vetroceramica o alluminio e rivestiti da uno strato di metallo che viene magnetizzato con certi pattern per immagazzinare i dati; sopra i dischi si trova una puntina come quella di un giradischi, con un magnete che serve sia a leggere i dati si ad imprimerli.

Gli SSD (solid state drive), a differenza degli HDD, sfruttano un tipo di immagazzinamento dati basato sulla memoria flash che sfrutta l'effetto tunnel per modificare lo stato elettronico di celle di transistor. Grazie a questo, gli SSD non hanno bisogno di componenti meccaniche come dischi e testine.

Bibliografia

• Analytical Engine – History of Charles Babbage Analytical Engine, History Computer
• Come viene creata la memoria?, Crucial IT, 2018
• How motherboards are made: a miracle of modern electronics, TechRadar
• What Raw Materials Are Used to Make Hardware in Computing Devices?, di Andrew Wheeler, Engineering.com, 29 settembre 2018
• Tantalum Applications & Products, Tantalum-Niobium International Study Center