Crise do chip: pesquisadores buscam sucessor do silício
- John Markoff
Num bagunçado laboratório de produção de chips no campus de Stanford, Max Shulaker está produzindo à mão os menores circuitos de computador do mundo. Shulaker, estudante de engenharia elétrica, está ajudando a abrir o caminho de um extraordinário processo de manufatura personalizado: fazer protótipos de um novo tipo de circuito semicondutor que um dia pode vir a ser a base dos supercomputadores mais rápidos do mundo - sem mencionar os menores e mais econômicos eletrônicos.
Se a nova tecnologia se mostrar factível, vai impedir uma crise que ameaça deter mais de cinco décadas de progresso dos fabricantes de chips, que agora podem produzir rotineiramente circuitos menores do que um comprimento de onda de luz para criar computadores ainda mais poderosos. Acontece que até as ondas de luz têm limites. Numa indústria famosa por invenções radicais e engenhosas, os projetistas têm a urgência premente de achar novas formas para fazer circuitos menores, mais velozes e baratos.
Neste ano a Intel, a maior fabricante mundial de chips, apresentou o transistor 3D que empurra um pilar fino da superfície do silício, num esforço para acomodar bilhões de chaves minúsculas num único microprocessador. Essa abordagem é controversa; o desafio não é apenas espremer mais chaves, mas fazê-las ligar e desligar de forma rápida e limpa, e muita gente do setor acredita haver meios menos drásticos de conseguir isso.
E seja qual for a abordagem que se mostrar mais eficiente, existe um consenso crescente entre engenheiros e executivos da indústria de que os dias do silício estão contados. Surge no horizonte um universo de fabricação ainda menor, os nanoeletrônicos, que será caracterizado pela capacidade de construir circuitos em escala molecular.
Assim, em universidades e laboratórios empresariais do mundo inteiro, os pesquisadores estão tentando desenvolver a próxima geração das tecnologias de produção de chips. Shulaker é membro do Robust Systems Group, em Stanford, liderado por Subhasish Mitra, ex-engenheiro da Intel. A nova chave que ele e outros pesquisadores estudantes estão fazendo se chama transistores de efeito de campo de nanotubo de carbono (CNFET, na sigla em inglês).
Para produzir os protótipos de chave, Shulaker primeiro faz crescer quimicamente bilhões de nanotubos de carbono - cada um com espessura de 12 átomos - numa superfície de quartzo. Ele os cobre com uma película ultrafina de ouro e depois usa um pedaço de fita - feito um removedor de bolinhas de roupa - para coletá-los manualmente e transferi-los suavemente a uma bolacha de silício.
A diferença é que, pela primeira vez, os circuitos não são gravados com ondas de luz; em vez disso, ao menos em parte, eles se "automontam". Os fios ultrafinos feitos com nanotubos de carbono são fixados por meio de um processo químico que é a primeira etapa para produzir um circuito de computador. O resultado são nanocircuitos muito menores, que usam muito menos energia que os circuitos de computador mais avançados de hoje em dia, feitos com silício.
Com o método de gravação por luz, a menor parte de um semicondutor tem atualmente 32 nanômetros, e a nanotecnologia é uma abordagem em que tanto a Intel quanto a IBM depositam altas esperanças quando as peças do semicondutor tiverem sete nanômetros - o que já pode acontecer em 2017.
"Estamos explorando isso muito a sério", disse Supratik Guha, diretor de ciência física do laboratório de pesquisa Thomas J. Watson da IBM. "Sentimos que, conseguindo colocar nanotubos de carbono a poucos nanômetros de distância, eles terão um desempenho superior ao silício."
A ideia de reduzir circuitos eletrônicos remonta pelo menos a 1960, quando um jovem engenheiro elétrico chamado Douglas Engelbart falou numa conferência sobre rádio e técnica eletrônica na Filadélfia. Engelbart teve a ideia de que reduzir o circuito básico dos primeiros computadores digitais poderia levar a uma redução drástica de energia. "Rapaz, teremos algumas surpresas por aí", ele disse à plateia. A declaração se revelou um juízo modesto.
Uma década depois, Gordon Moore, então químico da Fairchild Semiconductor, formalizou a capacidade de uma nova técnica chamada fotolitografia para reduzir componentes, dizendo que ela poderia ser feita a intervalos regulares e prevendo que o método seria exponencial _ dobrando o número de transistores que poderiam ser colocados num microchip todo ano.
A Lei de Moore, como veio a ser chamada, só era um pouco otimista: a duplicação se deu a cada 18 meses, mais ou menos, durante quase cinco décadas. Hoje em dia, vários bilhões de transistores podem caber num único chip, e a resultante era dos microeletrônicos transformou o mundo, estendendo-se virtualmente a todo aspecto da existência humana - dos agricultores de subsistência africanos que agora podem receber os preços do mercado por mensagem de texto aos supercomputadores capazes de simular explosões nucleares e prever mudanças climáticas.
Só que, a cada nova geração de tecnologia, os obstáculos se tornaram mais imponentes e o custo para suplantá-los está subindo, não caindo. Por exemplo, a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, um dos maiores fabricantes de chips do mundo, espera gastar quase US$ 10 bilhões em sua nova fábrica.
Além disso, à medida que os circuitos de computador CMOS padrão acolhem mais e mais transistores, eles costumam deixar eletricidade vazar, gerando calor em excesso. Os sinais de alerta começaram há uma década, quando Patrick P. Gelsinger, então diretor de tecnologia da Intel, avisou que, se a tendência continuasse, os chips com microprocessadores chegariam à temperatura da superfície do Sol em 2011. Para impedir isso, a empresa deu a chamada "guinada rápida para a direita", ganhando velocidade ao acrescentar recursos paralelos em vez de aumentar a velocidade de clock dos chips.
Todavia, mesmo essa abordagem tem limites. Neste ano, pesquisadores da Universidade de Washington e a Microsoft alertaram sobre o que chamaram de "silício negro". Com tantos processadores num único chip, fica impraticável fornecer energia para todos eles ao mesmo tempo. Assim, alguns transistores ficam sem energia - "negros", no jargão do setor.
Os novos limites são particularmente intimidadores para projetistas de supercomputadores, que estão buscando construir um sistema em "escala exa" _ mil vezes a velocidade dos computadores mais velozes de hoje em dia _ até 2019. Usando componentes de hoje, isso exigiria de dez milhões a cem milhões de processadores _ comparados a quase um milhão agora _ e consumiria mais de um bilhão de watts.
Na conferência anual de supercomputação em Seattle, no mês passado, Jen-Hsun Huang, CEO da Nvidia, fabricante de chips de aceleração gráfica usados em videogames e computadores, alertou para o fato de que, enquanto o desempenho da supercomputação melhorou um milhão de vezes nas duas últimas décadas, a energia necessária para usar um computador havia aumentando apenas 40 vezes.
Essa taxa de crescimento havia sido prevista por Robert H. Dennard, engenheiro elétrico da IBM que inventou o chip de memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM). Contudo, diante do problema crescente de vazamento de eletricidade, o grande benefício, que oferecia um aumento de desempenho constante de oito vezes por watt, chegou a seu limite. "O impacto dessa pequena análise é dramático ao longo do tempo", disse Huang. "É fundamental para nossa indústria - é a nossa gravidade."
A empresa de Huang, que começou no Vale do Silício fazendo placas de vídeo para videogames 3D e recentemente começou a oferecer um programa para otimizar processadores em aplicações científicas e de engenharia, reflete tendências amplas na indústria do computador.
Até a década de 1990, os sistemas de computação de ponta começaram como aplicações militares e corporativas. Desde então, a tecnologia foi cada vez mais levada de baixo para cima. A enorme economia de escala oferecida por produtos eletrônicos de consumo determinou que vários dos supercomputadores mais velozes fossem agora construídos com componentes criados para consumidores finais.
Na conferência de supercomputação deste ano, por exemplo, pesquisadores do Centro de Supercomputação de Barcelona, Espanha, anunciaram que estavam planejando um sistema baseado num novo chip da Nvidia que combina processadores gráficos com o microprocessador ARM largamente usado em smartphones.
Todavia, combinar processadores gráficos, microprocessadores e outros componentes em chips integrados é só um tapa-buraco. Segundo especialistas, dentro de poucos anos, os transistores CMOS convencionais não terão mais capacidade de serem reduzidos no ritmo da Lei de Moore.
Aqui em Stanford, Mitra afirma que um sistema baseado em nanotubos de carbono pode superar em grande medida a atual tecnologia de transistor 3D da Intel. Na verdade, talvez seja possível empilhar várias camadas dessas chaves de carbono, criando circuitos tridimensionais de verdade. Só que ele reconhece que a tecnologia do nanotubo de carbono "ainda tem seus problemas".
Outras tecnologias também podem ser concorrentes na loteria dos nanoeletrônicos. Pesquisadores do HP Labs disseram que estão perto de comercializar uma nova tecnologia de semicondutor baseada num elemento de circuito chamado "memristor", que pode substituir transistores, inicialmente num chip de memória que pode oferecer uma alternativa às memórias Flash e DRAM.
Os pesquisadores haviam anunciado no periódico The Proceedings of the National Academy of Sciences que haviam inventado um novo método para armazenar e recuperar informações de um amplo conjunto tridimensional de memristores. Potencialmente, o esquema poderia liberar os projetistas para empilhar milhares de chaves em muitos andares, permitindo uma nova classe de equipamentos de computação ultradensos mesmo depois que a redução bidimensional chegar aos limites fundamentais.
Durante uma palestra recente em Stanford, Stan Williams, físico que está comandando os trabalhos da HP, afirmou que o grupo estava se concentrando num novo tipo de material semicondutor, o dióxido de titânio, que poderia rivalizar com o silício. "Basta dizer que não é um futuro longínquo. Isso não vai demorar nem dez anos."
Williams afirmou que o memristor poderia ter significativas vantagens de tamanho e energia em relação aos transistores convencionais usados em equipamentos lógicos, como microprocessadores, que precisam estar sempre energizados para manter a informação. Em contraste, a tecnologia da HP não é volátil _ é necessário aplicar energia para mudar o estado da chave e ler seu valor.
Além disso, a exemplo do nanotubo de carbono, ele se presta a estruturas tridimensionais. "A comunidade está correndo atrás disso há 30 anos."
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