Apesar de a Intel adotar o nanômetro apenas em 2005, os chips já estavam nesta escala desde a década de 70.

Carlos Ossamu - 18/5/2009 - 20h04

Na mudança de 65 nm (Core Duo) para 45 nm (Core 2 Duo), o dióxido de silício foi substituído pelo elemento Hafnium.

Se os consumidores em geral começam agora a ouvir falar de produtos que levam componentes em escala nanométrica, quem lida com informática convive com essa tecnologia há muito tempo. Em nenhum outro segmento a miniaturização seguiu caminhos tão naturais como nos processadores. Os chips foram os primeiros a explorar este mundo de átomos, só que o termo “nanômetro” começou a ser usado apenas a partir de 2005, com o Pentium D, de 90 nanômetros (nm).

Até então, a escala métrica usada era o mícron, que representa um milésimo de milímetro, enquanto o nanômetro equivale a um milionésimo de milímetro.

Segundo Fidel Rios, engenheiro de aplicações da Intel do Brasil, a medida significa a distância entre dois transistores. “A Intel trabalha com produtos em escala nanométrica desde o início. Em 1971, lançamos o nosso primeiro microprocessador, o Intel 4004, de 10 mil nanômetros, ou 10 mícron”, comenta. Esse chip foi usado em calculadoras eletrônicas de mesa, operava a 740 KHz e tinha 2.300 transistores. “Se a mesma tecnologia de 1971 ainda fosse usada, para se ter o poder de processamento igual a de hoje, seria necessário construir um chip de 5 metros quadrados. Atualmente, o chip mede 3,2 x 3,2 cm”, observa Rios.

Muitos consideram que a história do microprocessador começou somente em 1974 com o Intel 8080, usado em um dos primeiros computadores pessoais, o Altair 8800. O chip tinha 6 mícron, 6 mil transistores e clock de 2 MHz.

Até 2004, com o lançamento do Pentium 4 Prescott, a Intel usava a medida mícron em seus processadores. Este chip tinha distância entre transistores de 0,09 mícron (90 nanômetros), 125 milhões de transistores e clock de 3,6 GHz. No ano seguinte, com o lançamento do Pentium D, a empresa passou a usar a escala nanométrica para divulgar seus produtos. Este chip era de 90 nm, tinha 230 milhões de transistores e clock de até 3,2 GHz.. “Em 2007, houve um grande avanço tecnológico para a mudança de 65 nm (Core Duo) para 45 nm (Core 2 Duo). O dióxido de silício, que até então era utilizado nos processadores, foi substituído pelo elemento Hafnium, diminuindo a geração de calor e o consumo de energia”, diz Rios.

Os transistores possuem três contatos: Fonte (Source), Porta (Gate) e Dreno (Drain). Aplicando uma tensão sobre a Porta, é gerada uma corrente elétrica da Fonte ao Dreno. Esse transistor funciona como um interruptor e como tal é usado para a construção de circuitos integrados, como os processadores. Até então, a Porta era feita com dióxido de silício. Usada como dielétrico (isolante), ela impede a corrente elétrica, mas ao receber uma tensão, passa a conduzir. A camada de dióxido de silício é bem fina, tem apenas cinco camadas atômicas e mede 1,2 nm nos chips de 65 nm.

Com uma camada dielétrica tão fina ocorrem fugas de corrente (Leakage). Esse problema fica mais evidente quanto maior for a frequência de operação. Ou seja, além do consumo normal do transistor, muita energia é perdida em fugas e toda essa energia, como sempre, vira calor. Era como uma torneira vazando constantemente. A solução encontrada pela Intel foi substituir o dióxido de silício por um material com uma constante dielétrica maior (high K), que diminuísse a fuga e aumentasse a corrente quando o transistor fosse ligado. O material escolhido foi baseado em Hafnium, que tem uma constante dielétrica (K) por volta de 25, bem maior que a do dióxido de silício (K = 3,9). Essa tecnologia é conhecida como High K Metal Gate.

Quanto ao futuro, o engenheiro da Intel adianta que ainda este ano a empresa iniciará a produção do chip Westmere, de 32 nm, já mostrado como protótipo em eventos recentes. Por enquanto, a empresa nem pensa em computação quântica. “Achamos que o melhor custo-benefício ainda está na computação binária. A Intel vem pesquisando chips de 11 nm e 5 nm, que poderão até ser implantados no cérebro. Mas estamos sempre atentos às novas tendências e possibilidades”, diz Fidel Rios.

Alternativa ao silício

Atualmente, os processadores são feitos de silício, mas a miniaturização no setor impulsiona a busca por novos materiais que possam ser usados como alternativa em chips cada vez menores. Em 2001, cientistas da IBM dedicados a pesquisas em nanociências (Nanoscale Science Research Department) deram o primeiro passo para mostrar a viabilidade da aposta: conseguiram desenvolver um transistor apenas com nanotubos de carbono. Os transistores funcionam como pontes que levam dados de um lugar para o outro. Quanto menores eles forem, mais transistores caberão em um mesmo chip e, consequentemente, maior a capacidade de processamento do computador.

A grande dificuldade para que essa aplicação fosse viável era a impossibilidade de se produzir nanotubos semicondutores separadamente dos condutores. Os métodos conhecidos de síntese dão origem a uma espécie de corda, na qual os nanotubos de ambos os tipos estão fortemente ligados. A única maneira conhecida de isolá-los era a manipulação individual, que é um processo muito lento.

A solução encontrada no laboratório da IBM foi chamada de “destruição construtiva”. A técnica consiste em destruir os indesejáveis nanotubos condutores através de um choque elétrico. Após a síntese, a corda é depositada sobre uma fina camada de silício. Os cientistas utilizam esta camada como um eletrodo capaz de desligar os nanotubos semicondutores, o que impede que qualquer corrente os atravesse. Em seguida, aplicam uma voltagem apropriada à camada de silício contendo nanotubos. Os condutores, desprotegidos, acabam sendo destruídos, enquanto os semicondutores permanecem intactos.

Entre o metal e o plástico

ADuPont Polímeros de Engenharia formou aliança com a canadense Morph Technologies, a Integran Technologies e a norte-americana PowerMetal Technologies para desenvolver e comercializar uma tecnologia híbrida de polímero e metal nanocristalino. O híbrido pode ser usado para manufaturar componentes extremamente leves, com a resistência e rigidez do metal combinadas com a flexibilidade de design e o baixo peso dos termoplásticos de alto desempenho.

O híbrido MetaFuse, de nanometal e polímero, emprega um processo proprietário que aplica um nanometal de altíssima resistência a componentes produzidos com os polímeros da DuPont para criar novos e leves componentes, que podem assumir diversas formas complexas, com a rigidez do magnésio ou alumínio, mas com resistência maior.

Segundo a empresa, o metal comum oferece resistência e alta rigidez, mas tem capacidade limitada para permitir a integração e a criação econômica de formas complexas. Por outro lado, o termoplástico fornece enorme liberdade para criar formas e integrar funções, mas sofre de algumas limitações para combinar resistência e rigidez. Com a nova tecnologia, os designers têm o melhor dos dois mundos.

Os primeiros desenvolvimentos vão se concentrar em determinadas aplicações nas indústrias automotivas, de eletrônicos, de consumo e materiais esportivos, que vão oferecer os maiores benefícios que a tecnologia pode oferecer. Segundo o acordo, a DuPont Polímeros de Engenharia, com centros globais de P&D e suporte ao cliente, vai conduzir o desenvolvimento das aplicações para clientes mundiais e levar essa inovadora tecnologia ao mercado.

“Daqui a alguns anos, os computadores quânticos estarão disponíveis comercialmente e veremos como os computadores atuais são grotescos”

Carlos Ossamu - 18/5/2009 - 20h06

O chip quântico do Orion é fabricado em silício e possui 16 qubits. Cada um deles é formado por uma porção de nióbio circundada por uma bobina.

A evolução tecnológica da computação teve, inegavelmente, um grande avanço na última década, principalmente com os chips desenvolvidos em escala nanométrica. Mas isso não é nada comparável ao que preveem os cientistas com a chegada da computação quântica. “Daqui a alguns anos, os computadores quânticos estarão disponíveis comercialmente e veremos como os computadores atuais são grotescos, pois são baseados em sistemas binários – sim ou não, ligado ou desligado, zero ou um. A computação quântica, assim como os átomos e moléculas, não seguem as leis da física e poderão processar várias coisas ao mesmo tempo, com capacidade ilimitada. E isso só será possível com a aplicação da nanotecnologia”, diz Henrique Eisi Toma, professor do Instituto de Química da USP e do Laboratório de Química Supramolecular e Nanotecnologia.

O entendimento do que é computação quântica não é tão fácil, por ser completamente diferente do que ocorre no mundo clássico. O seu funcionamento tem explicação em fenômenos que ocorrem no mundo subatômico, mas segundo os cientistas, isso não entra em contradição com o mundo que conhecemos, pois lá os fenômenos são muito rápidos. Um dos principais conceitos da computação quântica é o princípio da superposição, em que uma partícula pode estar em diferentes estados simultaneamente. Isso significa que ela pode estar em diferentes posições ou até em diferentes tempos, no passado e futuro.

Enquanto o bit só pode assumir o valor zero ou um, o qubit, que é o equivalente na computação quântica, pode assumir os valores zero e um ao mesmo tempo. Imagine um labirinto e cada vez que há uma bifurcação, o qubit se divide em dois. É fácil entender que dessa forma ele encontrará a saída muito mais rápido do que o bit clássico, em que só se pode escolher um caminho – caso ele erre, deve voltar ao ponto original e começar tudo novamente.

Um exemplo clássico das vantagens da computação quântica em comparação à tradicional é quando se quer encontrar o nome de uma pessoa em uma lista telefônica ordenada por nomes e se tem apenas o número dessa pessoa. Na computação clássica, é necessário ver nome por nome para ver se confere com o número que se tem em mãos. Já na computação quântica é possível pegar todos os números da lista e colocar em estado de superposição, processando o nome associado ao telefone em todos os números ao mesmo tempo. É o chamado paralelismo quântico, que torna o processamento de grandes volumes muito mais rápido.

“A evolução disso poderá ser o computador molecular, que processará informações da mesma forma que o nosso cérebro. Será possível até mesmo nos conectarmos aos computadores para aprendermos”, afirma o professor Toma. Pelo visto, o mundo apresentado pelo filme Matrix não é tão absurdo, tirando a parte das máquinas usando as pessoas como fonte de energia.

Primeiro modelo - A computação quântica não é mera teoria. A canadense D-Wave (www.dwavesys.com) apresentou em 2007 o computador Orion, baseado em um chip de 16 qubits. Durante a demonstração, o equipamento realizou tarefas simples, que poderiam ser realizadas até por palmtops – resolveu problemas de lógica, encontrou soluções para o jogo Sudoku e pesquisou alternativas para drogas usadas na indústria farmacêutica. Mas como disse Neil Armstrong, o primeiro homem a pisar na Lua, em 20 de julho de 1969, este foi “um pequeno passo para o homem, um gigantesco salto para a humanidade”, já que provou a viabilidade da computação quântica.

O chip quântico do Orion é fabricado em silício e possui 16 qubits. Cada um deles é formado por uma porção de nióbio circundada por uma bobina. Quando a bobina é estimulada eletricamente, ela gera um campo magnético, que provoca alterações de estado nos átomos de nióbio. Essas mudanças de estado são captadas pelos circuitos e transformadas em dados. Para que tudo isso funcione, o chip quântico precisa ser congelado a 4 milikelvins, temperatura muito próxima do zero absoluto. Isso é feito por meio de um sistema de refrigeração com hélio líquido. O nióbio torna-se supercondutor nessa temperatura. Na Amazônia, estão as maiores reservas de nióbio do planeta. Não é à toa que tem muita gente falando em internacionalizar a floresta, não só para preservá-la, mas pelas águas e pelo nióbio.