Lost Équis

USB sem fio está saindo dos laboratórios

2006-07-04T10:22:00.000-03:00

Segunda, 3 de julho de 2006, 19h28

Uma nova forma de USB, o Wireless USB (WUSB), poderá se tornar o padrão em breve. A interface permitirá a todos os dispositivos se conectar entre si sem fio, numa implementação específica introduzida pela Intel há pouco tempo, segundo noticia o site Geek.com.

Pretendendo ser uma interface única e padronizada para equipamentos que vão de iPods a impressoras, scanners, máquinas de fax, câmeras digitais e praticamente qualquer periférico, o WUSB é rápido, fácil de usar e deverá ser adotado por praticamente todos os novos dispositivos.

O mercado potencial para o USB sem fio é estimado em 300 milhões de unidades em 2010, de acordo com uma pesquisa de mercado apresentada por Jeff Ravencraft, presidente do Fórum de Implementadores USB, durante uma conferência para desenvolvedores certificados de WUSB.

A nova interface utiliza uma faixa de onda do espectro de rádio atualmente não licenciada em todas as nações. No momento, o uso desta faixa está aprovado apenas nos Estados Unidos, sendo adotado no Japão em julho. Outras regiões, como Canadá, Coréia e Europa devem adotá-lo até o final do ano, e a China deverá fazê-lo em 2007.

O WUSB irá operar utilizando velocidades USB 2.0 e taxas de transferência de até 480 Mbits por segundo, ou seja, cerca de três vezes mais rápido que a taxa de transferência da dados dos HDs atuais.

Fonte: Magnet

Achei bem interessante isso... Quando será que essa faixa de onda do espectro de rádio vai ser licenciada no Brasil? =P

NOSSA!! Passei em circuitos!

2006-07-04T09:48:00.000-03:00

Nossa... ainda bem que eu passei em circuitos xD

To felizão...

Da uma zoiada nas notas xP~~

Arma de elásticos feita de lego xD

2006-07-02T12:59:00.001-03:00

A uns dias atrás Fergo me mostrou um video que demonstrava atiradoras de elástico automáticas feitas de lego. Ontem eu estava com um pouco de tempo livre e resolvi tentar.
Ainda não é automática mas é um começo.

Figura 1: Armada

Figura 2: Vista lateral

Figura 3: Desarmada

Veja também o video de demonstração xD~~

800 GigaBytes em um único disco - Por B.Piropo

2005-08-14T23:02:00.000-03:00

Por acaso minha primeira coluna neste Fórum versava sobre dois novos padrões que disputam o mercado dos DVD (“A Guerra do DVD”, postada em 09 de janeiro deste ano). E, também por acaso, logo depois mergulhei no mundo da nanotecnologia discutindo o que o futuro reserva para a conhecida Lei de Moore, segundo a qual o número de transistores dos circuitos integrados dobra em intervalos regulares.

Os dois padrões que brigam pelo mercado do DVD chamam-se Blu-Ray e HD-DVD. Ambos apelam para o uso de um raio laser azul (violeta, para ser exato) de comprimento de onda da ordem de 0,4 micron (portanto menor que 0,65 micron, o comprimento de onda dos raios laser vermelhos usados nos CD e DVD convencionais) para aumentar a “densidade de dados” gravados, já que com um comprimento de onda menor é possível reduzir tanto a distância entre espiras sucessivas da trilha quanto o tamanho dos ressaltos usados para desviar o raio laser refletido (veja mais detalhes na coluna “A Guerra do DVD” acima citada). O formato Blu-Ray pode armazenar até 50 GB (GigaBytes) em uma única face enquanto o HD-DVD chega a 30 GB. Segundo as últimas notícias (veja artigo “Next-generation DVD formats rally support” de Richard Shim, gravadores no formato Blu-Ray deverão ser lançados no início do próximo ano e recentemente parceiros do quilate da Texas Instruments, Sun Microsystems, Vivendi Universal Games e Electronics Arts aderiram ao padrão Blu-Ray já defendido por Sony, HP e Dell, entre outras. Já a tribo do HD-DVD, capitaneada por Toshiba, NEC e Sanyo, recebeu a adesão de gigantes do entretenimento como a Paramount, Warner, HBO e Universal Studios, que anunciam para breve o lançamento de cem títulos de sucesso, incluindo Harry Potter, Batman, Superman, e algumas séries de TV americanas como “The sopranos”, “ER” e “West Wing”, tudo no padrão HD-DVD, naturalmente. Portanto, longe de acabar com a vitória de um dos grupos, a guerra está cada vez mais acirrada.

Já nanotecnologia, conforme definida na coluna “Lei de Moore: até quando – VI Malhas moleculares” aqui mesmo neste Fórum, é o ramo da tecnologia que lida com dispositivos cujo tamanho é menor que 100 nanômetros (milionésimos de milímetro). E aconselhava: “Para ter uma idéia do que isso significa, leia a coluna ‘O rápido e o pequeno’, a segunda da série” que publiquei aqui no Fórum. Reitero o conselho.

Embora pareça, o objetivo desta coluna não é fazer propaganda das anteriores. É tão somente lembrá-las para evidenciar um fato curioso: o mundo moderno não apenas está presenciando um avanço tecnológico sem precedentes como está vivendo uma interessante fusão de tecnologias aparentemente independentes (quem poderia prever, nos primórdios das eras das telecomunicações e da informática, que depois de algumas décadas elas estariam tão indissoluvelmente ligadas como hoje em dia?)

Pois bem: eu apenas citei as colunas que versavam sobre DVD e nanotecnologia porque, curiosamente, a nossa bem conhecida Iomega, a empresa responsável por dispositivos de armazenamento inovadores como o Zip Drive e o Jaz Drive, acaba de anunciar que patenteou um novo (mais um!) padrão de codificação de dados em DVD usando um método que apela justamente para a nanotecnologia para aumentar de quarenta a cem vezes a capacidade dos discos atuais (ou seja, chegando a quase inconcebíveis 800 GB por face) e cuja taxa de transferência de dados será de cinco a trinta vezes mais elevada (podendo, portanto, chegar a 300 MB/s).

A nova tecnologia foi objeto da patente US Patent No. 6.879.556. Se você quiser examinar seus detalhes, vá até o banco de dados de patentes americanas e leia o texto completo da United States Patent 6.879.556. Mas como desconfio que você vai se sentir um tanto deslocado no meio daquela enxurrada de termos legais em inglês, aqui vai uma tradução do sumário do objeto da referida patente:

“Método e aparelho para armazenamento ótico de dados: Um disco ótico incluindo diversas trilhas, cada uma delas incluindo uma série de elementos de dados óticos. Cada elemento de dado ótico inclui diversas superfícies refletoras com respectivas e diferentes orientações que representam as informações armazenadas. Um sistema de detecção aponta um raio laser para sucessivos elementos de dados óticos. As múltiplas superfícies refletoras de cada elemento ótico de dados produzem múltiplos sub-raios refletidos que são captados pelas regiões respectivas de um detector. Cada sub-raio será refletido em uma posição determinada na região correspondente do detector, que pode ser relacionada com a orientação da superfície refletora correspondente e portanto com a informação armazenada, representada pela dita superfície”

Deu para entender? Bem, patentes são naturalmente obscuras. Elas não costumam descer a detalhes dos dispositivos patenteados porque, sendo públicas, seriam um extraordinário manancial de segredos industriais. Sua função é apenas descrever a coisa da forma mais confusa possível, porém suficientemente clara para impedir os concorrentes de fabricar algo parecido. Portanto, mesmo após uma leitura detalhada da patente, não dá para se ter a exata idéia de como será o dispositivo.

Mas dá para perceber que será algo semelhante a um DVD, porém com diversas trilhas paralelas (se é que o adjetivo “paralela” se aplica a espirais; mas presumo que você tenha entendido o espírito da coisa), cada uma delas contendo complexas (pelo que entendi, multifacetadas) estruturas refletoras em escala nanométrica, que “partem” o raio laser incidente, distribuindo-o em diversas direções simultâneas. Estes “sub-raios” serão captados por sensores que, dependendo da posição em que foram atingidos pelos feixes de laser, reconstituirão os dados digitalizados.

No momento tudo que há é a idéia e a patente. Segundo artigo “Iomega aiming for 800GB DVDs” também de Richard Shim, a Iomega planeja comercializar o produto e está procurando parceiros para fabricar os dispositivos de armazenamento (discos).

E promete divulgar maiores detalhes sobre a tecnologia no Simpósio do consórcio de indústrias de armazenamento de informações que ocorrerá dentro de dois meses em Monterrey, CA, EUA.

É aguardar para ver...

Lei de Moore: até quando? – VIII Final: nanotubos de carbono - Por B.Piropo

2005-06-22T23:47:00.000-03:00

O carbono é um elemento interessante. Para começar, sem ele, você não estaria lendo esta coluna. Não porque ele seja um elemento essencial à coluna, mas porque ele é um elemento essencial a você. Pois cada célula que compõe essa máquina formidável que é seu corpo, do cérebro aos intestinos, é formada por substâncias cuja base são cadeias de carbono, o principal constituinte da matéria orgânica. Além disso ele pode se apresentar puro na natureza, com aspectos tão distintos como a grafite da ponta de nossos lápis até o diamante. Ambos são carbono puro. E, por paradoxal que pareça, hoje nos interessaremos mais pela grafite que pelo diamante.

Se você conseguisse visualizar um átomo do elemento carbono perceberia que as órbitas de seus elétrons mais afastados do núcleo se distribuem de modo a formar uma figura com três “pontas” que formam ângulos de 120 graus umas com as outras. Se houver outros átomos de carbono livres nas imediações, eles se ligarão por estas “pontas” formando uma estrutura que lembra a configuração interna de uma colméia de abelhas. Uma dessas estruturas (que, distribuída em um plano, forma uma camada) é mostrada na Figura 1, onde cada pequena esfera representa o núcleo de um átomo de carbono ligado a três outros.

Figura 1

O material formado por um conjunto destas camadas é o grafite. A ligação entre os átomos de cada camada é muito forte, mais forte ainda que a dos átomos de carbono cristalizados em um diamante. Mas, no grafite, são as camadas que não se ligam fortemente umas às outras e o material formado por elas se desmembra facilmente (ou seja, a dureza do grafite é muito pequena).

Neste ponto, uma pequena digressão. Pegue um maço de folhas de papel e experimente construir uma estrutura qualquer com elas. Você logo descobrirá que a tarefa é praticamente impossível porque as folhas não apresentam rigidez suficiente. Agora, pegue algumas folhas, enrole-as sobre elas mesmas e prenda com pequenos pedaços de fita adesiva, de modo a formar cilindros de papel. Repare como a simples mudança de forma conferiu rigidez ao papel. Agora você pode usar os cilindros como se fossem pilares e vigas e montar facilmente sua estrutura de papel.

Pois algo muito parecido ocorre com as camadas formadas por átomos de carbono. Pegue uma delas, de formato retangular, e una duas de suas arestas laterais para formar um cilindro, ou tubo. O resultado é uma estrutura como a mostrada esquematicamente na Figura 2. Como cada esfera corresponde a um átomo de carbono, as dimensões da estrutura da Figura 2 são extraordinariamente pequenas. Dependendo da forma como foi gerado, o diâmetro de um tubo como o da figura pode variar ente um nm (nanômetro, ou milionésimo de milímetro) a 25 nm. Por isso essas estruturas recebem o nome de “nanotubos de carbono”.

Figura 2

Um nanotubo de carbono é uma coisa extraordinária. Suas perspectivas de uso futuro vão de componentes de tintas até lâmpadas fluorescentes. Eles poderão ser usados para fabricar máquinas microscópicas. Mas o que nos interessa é seu uso na eletrônica. (veja uma vista lateral de um nanotubo extraordinariamente ampliado na Figura 3).

Figura 3

Uma das propriedades que tornam os nanotubos de carbono tão excepcionais é o fato de suas características elétricas variarem de acordo com a forma pela qual a camada plana foi “enrolada” para formar o tubo. Se ela for enrolada sobre si mesma de modo a manter a linearidade da estrutura, como o tubo mostrado acima e à esquerda na Figura 4 (obtida de material de divulgação da Intel), o nanotubo será um excelente condutor de eletricidade, com resistividade menor que a do cobre. Mas se a camada sofrer uma ligeira torção antes de ser enrolada (esta torção denomina-se “quiralidade” e é uma propriedade da configuração espacial de estruturas atômicas) como os tubos mostrados na parte superior direita da Figura 4, o nanotubo se comportará como um semicondutor.

Figura 4

Os nanotubos de carbono como condutores elétricos terão, evidentemente, grande importância na eletrônica digital. Mas, para os efeitos desta série, o que nos interessa é seu emprego como material semicondutor em substituição ao silício atualmente empregado na fabricação de microprocessadores.

Na coluna anterior, a penúltima desta série, discutimos os transistores do tipo tri-gate, onde a ligação entre fonte e dreno se faz por finíssimos filetes ou “canais” de silício, usado como material semicondutor. Evidentemente, quanto menor o seção (ou o diâmetro) destes canais de material semicondutor, menores poderão ser os transistores e maior número deles poderão se acomodar em um microprocessador, estendendo a vida útil da Lei de Moore. Na mesma coluna chegamos a mostrar imagens fornecidas pela Intel, obtidas através de microscopia eletrônica, onde se viam filetes de silício com diâmetro da ordem de cinco nanômetros. Que, aparentemente, é o mínimo que se pode obter com a tecnologia atual.

Então, o que fazer para reduzir ainda mais o diâmetro dos filetes de material semicondutor que unirão fonte e dreno dos futuros transistores? Ora, você já deve ter percebido: mudar o material semicondutor. Usando, por exemplo, nanotubos de carbono, que podem ter diâmetro de até 1 nm.

Figura 5

A Figura 5, acima, obtida por microscopia eletrônica e exibida pela Intel em seu IDF Spring 2005, mostra justamente isto, em um dispositivo ainda em fase de protótipo. A grande mancha clara, em forma de “L” invertido na parte superior da figura, é o dreno do transistor. A outra mancha clara, horizontal, na base da figura, é a fonte. Entre elas, atravessando a figura horizontalmente, há uma faixa mais escura que se liga a uma massa de mesmo tom no canto inferior direito: a porta e seu eletrodo.

Mas o que une o dreno à fonte? Para que esse dispositivo seja um transistor, tem que ser um canal de material semicondutor que conduza corrente quando houver tensão na porta e que interrompa esse fluxo de corrente quando esta tensão for suprimida. No caso da Figura 5, este canal é constituído por um nanotubo de carbono (com características de semicondutor) com diâmetro de apenas 1,4 nm. Para percebê-lo, há que olhar a figura com atenção, pois ele é quase imperceptível. Sua trajetória é “enviezada”, estendendo-se de próximo ao canto inferior esquerdo da figura até perto do canto superior direito . Para facilitar sua localização, o trecho que se vai de fonte a dreno é assinalado pelas pequenas setas negras com manchas amarelas.

Figura 6

A fabricação de nanotubos de carbono já é feita em laboratório sem dificuldades. A Figura 6 mostra, em seu lado esquerdo, um emaranhado deles, recém-fabricados. Mas entre fabricar um negócio desses e manipulá-lo para compor um dispositivo eletrônico há uma grande diferença. Como colocar um filamento cujo diâmetro é da ordem de um milionésimo de milímetro, cem vezes menor que o tamanho de um vírus, exatamente na posição que desejamos no interior de um microprocessador? São problemas como esse que ainda impedem o uso industrial de nanotubos de carbono. Mas também eles estão sendo enfrentados nos grandes laboratórios de pesquisa. Por exemplo: no lado direito da mesma Figura 6 pode ser visto um conjunto de nanotubos de carbono quase perfeitamente alinhados devido à ação de um campo elétrico.

Em suma: como em toda tecnologia inovadora, há problemas práticos a serem resolvidos antes que microprocessadores que se utilizam de nanotubos de carbono como material semicondutor entrem em processo de fabricação industrial. Mas a ciência tem se mostrado capaz de resolver problemas que há relativamente pouco tempo pareciam insolúveis. E nada indica que seja diferente com as tecnologias que substituirão o processo atual de fabricação de microprocessadores, seja a malha molecular, sejam os transistores tri-gate, sejam os nanotubos de carbono (ou outras, como a “spintrônica”, ramo da eletrônica que lida com o “spin”, movimento de rotação dos elétrons que se movimentam em torno dos núcleos dos átomos, que não foram abordadas aqui para não tornar essa série ainda mais enfadonha).

Portanto, quem teve suficiente pertinácia para chegar até aqui, certamente se inteirou de dois fatos:

O primeiro é que a tecnologia atual de fabricação de microprocessadores, usando camadas de silício cada vez mais finas, tem seus dias contados. Ela sobreviverá ainda por no máximo mais quinze ou vinte anos, quando esgotará todas as possibilidades de evoluir.

O segundo é que isso não impedirá que a Lei de Moore continue vigendo. O número de transistores por microprocessador continuará dobrando a cada período determinado. O que mudará será a tecnologia empregada para atingir esses números. Que já estão na casa dos bilhões.

Quem viver, verá.

B.Piropo

Lei de Moore: até quando? – VII Transistores Tri-Gate - Por B.Piropo

2005-06-09T23:15:00.000-03:00

Figura 1

Semana passada vimos uma das opções que estão sendo estudadas para contornar os obstáculos que surgem no caminho da Lei de Moore, as malhas moleculares. Esta semana examinaremos os chamados transistores Tri-Gate (ou de porta tripla).

Quem, piedosamente, acompanha esta série desde o início sabe que transistores são compostos por três elementos básicos: fonte, dreno e porta. E que, nos circuitos digitais, são utilizados como simples chaveadores de corrente: uma tensão aplicada à porta permite que flua uma corrente da fonte para o dreno se houver uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre eles. Suprimindo-se a tensão aplicada à porta, a corrente entre fonte e dreno é interrompida.

Ora, sendo assim, o transistor MOS (Metal-Oxide semiconductor) ideal teria o aspecto da Figura 2, sendo constituído por um cilindro de material semicondutor circundado por um eletrodo metálico em forma de anel, isolado do semicondutor por uma fina camada de material isolante de altíssima resistividade (este material já existe; chama-se High-K insulator e vem sendo usado há algum tempo complementando a função de isolante exercida pelo oxido de silício). Os trechos do semicondutor que se projetam para fora do eletrodo metálico seriam, respectivamente, fonte e dreno. O eletrodo metálico funcionaria como porta. Uma tensão a ele aplicada faria uma corrente fluir de fonte para dreno, desde que haja uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre ambos.

Figura 2

Com a tecnologia atual, fabricar dispositivos como os da Figura 2 na escala nanométrica (ou seja, medidos em nanômetros, ou milionésimos de milímetro) é impossível. Mas pode-se chegar a algo parecido, os transistores Tri-Gate. E, curiosamente, o que levou a seu desenvolvimento foi uma imperfeição da tecnologia de fabricação atual.

Quem leu a coluna “Fazendo Microprocessadores”, a terceira desta série, sabe que o processo de fabricação de microprocessadores consiste na deposição de sucessivas camadas de silício, óxido de silício e material fotossensível sobre um suporte, com incrustação de polissilício em pontos determinados e remoção por raspagem do excesso de material, até que se tenha o chamado “wafer”, um conjunto de camadas sobrepostas “recheadas” de transistores.

O problema – que se tornou solução – residia justamente na raspagem de excesso de material semicondutor, o silício, nas áreas planas das camadas. Dadas as dimensões microscópicas dos dispositivos, sempre sobravam alguns filetes de material semicondutor sobre a base. Esses filetes tinham altura e espessura da ordem de poucos nanômetros (veja um deles, representado em amarelo, na Figura 3-a; trata-se, naturalmente, de um esquema, pois na realidade esses filetes tinham altura e espessura irregulares, lembrando uma barbatana de peixe – “fin”, em inglês – o que levou os primeiros transistores fabricados com eles a serem conhecidos por “Fin-FET”, onde FET é a sigla de Field Effect Transistor).

Figura 3

Como isso poderia ser aproveitado para criar um dispositivo semelhante ao mostrado na Figura 2? Simples. Primeiro, nas duas extremidades do filete, agrega-se mais material semicondutor que formarão a fonte e o dreno do futuro transistor, como mostrado na Figura 3-b. Em seguida, reveste-se um pequeno trecho da superfície do filete, próximo à sua zona central, com um material isolante de altíssima resistividade (conhecido como “High-K insulator”, já utilizado na fabricação da última geração de microprocessadores), como mostra a figura 3-c. Finalmente, em torno deste revestimento isolante, aplica-se uma porção de material condutor, o polissilício, que formará a porta do futuro transistor. O aspecto esquemático de um transistor assim constituído é o da Figura 3-d. Para saber mais sobre o assunto, leia o artigo de Robert Metzger, “FinFET process pushes gate lengths below 50 nm”.

Em que um transistor deste tipo difere do transistor comum, moldado sobre uma camada plana de silício e por isso mesmo chamado de “planar”? A Figura 4, obtida de material de divulgação da Intel, mostra os cortes de um transistor comum, Planar CMOS, e de um transistor Tri-Gate. No transistor Planar, a porta se situa acima do substrato de silício, dele isolado por uma única superfície de “High-K insulator”. Já no transistor Tri-Gate, onde o corte foi feito no ponto em que a porta se sobrepõe ao filete de semicondutor (mostrado em verde), percebe-se que a porta circunda por três lados a ligação entre fonte e dreno, agindo na verdade como uma porta tripla (daí o nome “tri-gate”), o que triplica sua eficiência. O resultado é algo muito próximo do transistor ideal da Figura 2.

Figura 4

A vantagem disso não é apenas o fato da porta poder exercer sua ação mais efetivamente. Na verdade, vai muito além. Pois ocorre que os filetes de material semicondutor assim gerados podem ser extremamente finos. A Intel já conseguiu gerar filetes de silício com diâmetro da ordem de cinco nanômetros em estruturas múltiplas, como as mostradas na Figura 5 (também obtida de material de divulgação da Intel, mostrando à esquerda um diagrama esquemático e à direita uma imagem obtida por microscopia eletrônica), onde diversos canais de material semicondutor ligam fonte e dreno e são circundados por portas do tipo tri-gate.

Figura 5

A vantagem do uso dos transistores tri-gate para expandir os horizontes da lei de Moore para além dos limites discutidos na coluna “A razão do limite”, a quinta desta série, é que ela emprega a mesma tecnologia de fabricação adotada atualmente, necessitando apenas de adaptações (e de muito maior precisão, naturalmente). As pesquisas da Intel neste campo estão bastante avançadas, como mostra a Figura 5, exibida em uma das apresentações da Intel em seu Developer Forum Spring 2005. Nela, à esquerda, se vê uma estrutura de transistores tri-gate e, à direita, um corte desta mesma estrutura (feito ao longo da porta, no local assinalado pelo traço vermelho na figura da esquerda), onde se nota claramente a seção de dois filetes (ou canais) de silício com diâmetro inferior a cinco nm.

Figura 6

Note que, embora do ponto de vista da eletrônica digital um transistor tri-gate seja idêntico a um transistor planar (ambos funcionam como chaveadores de corrente entre fonte e dreno), do ponto de vista estrutural são bastante diferentes. No transistor planar, a porta se situa acima da ligação de silício entre fonte e dreno (veja esquemas na coluna “Transistor, a dimensão”, a quarta desta série), enquanto em um transistor tri-gate ela circunda quase completamente um finíssimo canal de material semicondutor (filete) de ligação entre fonte e dreno, por onde flui a corrente elétrica.

A próxima (e última) opção a ser discutida para ultrapassar os limites impostos à Lei de Moore se baseia justamente em tornar esses canais ainda mais finos.

Mas isso não é possível com o uso de silício. Em vez dele, será usado um material com propriedades interessantíssimas.

Sobre o qual falaremos semana que vem.

B. Piropo

Lei de Moore: até quando? – VI Malhas moleculares - Por B.Piropo

2005-06-05T22:49:00.000-03:00

Que a tecnologia de fabricação de microprocessadores usada atualmente está com seus dias contados, já sabemos. Agora vamos começar a discutir o que poderá ocupar seu lugar, tendo em mente que, considerando a atual dimensão dos transistores, seja lá o que for certamente estará no domínio da nanotecnologia.

Mas o que é “nanotecnologia”? Bem, considerando que o prefixo “nano” significa “bilionésimo”, não é difícil concluir que se trata de uma ramo da tecnologia que lida com coisas muito, muito pequenas. E, de fato, assim é. Por definição, nanotecnologia é o ramo da ciência que lida com dispositivos cujo tamanho é menor que 100 nm (para ter uma idéia do que isso significa, leia a coluna “O rápido e o pequeno”, a segunda desta série).

Uma das empresas que se dedica a pesquisar um meio de substituir a atual tecnologia de fabricação de circuitos integrados é a HP. Para isso ela criou um grupo voltado exclusivamente a “explorar os limites do fisicamente possível, enfocando a fabricação de estruturas na escala nanométrica visando medir e compreender suas propriedades”. Este grupo chama-se Quantum Science Research (QSR).

A tecnologia que o QSR vem tentando desenvolver para fabricar microprocessadores utiliza as chamadas malhas moleculares (“molecular grid” ou “crossbar latch”). Sobre sua implementação em escala industrial Stan Williams, o responsável pelas pesquisas do QSR declarou, em artigo de John Spooner, “A new era of molecular circuit chips” publicado em 22/10/2002 em News.Com: “A mudança provavelmente não está logo ali adiante. Mas dentro da próxima década – ou sem dúvida nos próximos 15 anos – é certo que novas substâncias irão substituir o silício como matéria prima para fabricação de circuitos integrados para computação”.

O princípio de funcionamento da malha molecular é simples. Ela consiste em uma rede, ou malha, de condutores microscópicos cujas interseções são conectadas por moléculas. Parece complicado, mas não é. Imagine dois planos paralelos muito próximos (e quando o assunto é nanotecnologia, “muito próximos” significa distâncias da ordem de nanômetros, ou milionésimos de milímetro). Em um desses planos, instale um conjunto de condutores elétricos retilíneos, paralelos entre si. No outro, instale um conjunto semelhante, porém disposto ortogonalmente ao primeiro (ou seja, em ângulo de 90º com os condutores do primeiro plano). Isto formará uma malha, ou rede, tridimensional. Preencha o espaço entre os dois planos com uma substância cujas moléculas sejam suficientemente grandes para ligar dois condutores, um em cada plano (moléculas de substâncias chamadas polímeros, cujo diâmetro é da ordem de alguns nanômetros). Haverá muitas moléculas que não tocarão condutor nenhum. Haverá algumas que tocarão apenas um condutor. Mas, nos pontos em que um condutor passar “por cima” do outro, as moléculas tocarão dois condutores, um em cada plano, interligando-os. Se estas moléculas, por sua vez, conduzirem eletricidade (ou seja, oferecerem baixa resistência à passagem da corrente), “fecharão” o circuito entre esses dois condutores e, caso haja uma diferença de potencial elétrico (ou tensão) entre eles, uma corrente elétrica fluirá de um para outro através da molécula. Se as moléculas não forem condutoras (ou seja, se sua resistência elétrica for elevada), o circuito permanecerá “aberto” e, mesmo que haja uma diferença de potencial elétrico, não fluirá corrente de um condutor para outro.

Para materializar um circuito como este, algumas condições devem ser cumpridas: desenvolver um processo de fabricação suficiente preciso, selecionar materiais para fabricar os condutores elétricos e identificar substâncias cujas moléculas permitam alterar sua condutividade elétrica.

Figura 1

Começando por esta última: pesquisas revelaram que existem polímeros com moléculas suficientemente grandes e que, quando recebem uma tensão elétrica, sofrem alterações estruturais que fazem com que sua resistência elétrica varie até dez mil vezes. Ligando-se condutores elétricos a essas moléculas pode-se aplicar tensões a cada uma delas, fazendo com que conduzam ou não a corrente elétrica dependendo de haver ou não uma tensão aplicada. Cada molécula agirá, então, como um “chaveador de corrente”, deixando ou não passar corrente elétrica entre os dois condutores que interliga. E “chavear corrente”, como vimos nas colunas anteriores, é justamente o papel dos transistores nos circuitos eletrônicos. Um desses compostos é a substância orgânica conhecida por rotaxano (“rotaxane”, em inglês), um polímero cujas moléculas são formadas por átomos dos elementos carbono, oxigênio, hidrogênio e enxofre. Uma molécula de rotaxano consiste de duas estruturas moleculares interligadas si por uma terceira estrutura linear que por sua vez é circundada por uma quarta estrutura em forma de anel (veja representação esquemática na Figura 1). Este anel pode deslizar livremente ao longo do eixo da molécula. A resistência oferecida pela molécula de rotaxano à passagem da corrente depende da posição do anel ao longo do eixo da molécula, que pode ser alterada aplicando-se uma tensão à molécula. Mais detalhes sobre os rotaxanos e seu comportamento podem ser obtidos em Rotaxanes and Catenanes , Computing with molecules e Virtual Nanotech. Uma representação tridimensional da molécula de rotaxano, onde se percebe claramente o “anel” em tons de roxo, pode ser vista na Figura 2, obtida de The Molecular Picture gallery.

Figura 2

Os condutores elétricos a serem interligados pelas moléculas de rotaxano, por sua vez, são feitos de titânio e platina, metais já empregados usualmente nos circuitos integrados atuais, criados a partir do silício.

O aspecto de uma malha molecular é o mostrado na Figura 3, obtida na galeria de imagens do Quantum Science Research. Nela se pode notar um condutor (em estrias verdes e amarelas, que atravessa a imagem do canto superior esquerdo até o meio da borda direita) passando acima de um conjunto de diversos outros condutores paralelos e ortogonais ao primeiro, e algumas moléculas de rotaxano (estruturas compostas por pequenas esferas vermelhas – condutoras – ou verdes – não condutora) interligando os condutores nos pontos em que o condutor superior passa exatamente acima dos condutores do plano inferior. Uma malha molecular como esta pode ser usada tanto como memória (cada molécula de rotaxano armazenando um bit, um se conduzindo, zero se não conduzindo) ou como parte de um circuito integrado no qual as moléculas de rotaxano substituiriam os transistores como chaveadores de corrente.

Figura 3

A tecnologia da malha molecular tem duas características que facilitarão enormemente a fabricação de circuitos integrados nela baseados. A primeira é que ela pode ser facilmente incorporada a circuitos fabricados com a tecnologia tradicional de camada de silício, dando origem a circuitos híbridos, onde os componentes responsáveis pela lógica usarão a tecnologia de malha molecular enquanto os componentes responsáveis pela entrada e saída de dados serão fabricados usando a tecnologia convencional de camada de silício. A segunda é que seus circuitos são muito mais fáceis de serem fabricados, já que usam uma tecnologia mais próxima da impressão à jato de tinta que da gravação e entalhe usado para fabricar os processadores atuais (já descrita em coluna anterior).

Os laboratórios de pesquisas em ciência quântica da HP já conseguiram fabricar protótipos de circuitos de memória com malhas moleculares com densidade de armazenamento de 6,4 Gb (Gigabits) por centímetro quadrado, dez vezes maior que a densidade de armazenamento atualmente conseguida com circuitos de memória RAM dinâmica (DRAM). Mas seu grande objetivo é incorporar a tecnologia da malha molecular em circuitos integrados de silício.

Para comprovar a exeqüibilidade da idéia, eles acabam de fabricar o primeiro protótipo, um dispositivo do tipo “crossbar latch”, ou malha molecular, capaz de efetuar cálculos, desempenhando a mesma função que o processador convencional de camada de silício (veja artigo de Michael Kanellos publicado em 31 de janeiro último). E espera fabricá-los em escala industrial dentro dos próximos cinco anos.

Se ela conseguir, será a primeira a fabricar circuitos integrados usando tecnologia molecular capaz de, no futuro, substituir completamente os microprocessadores fabricados com camada de silício. Quem sabe dando um novo alento à Lei de Moore.

Mas é bom não esquecer que tudo isso ainda está na fase de pesquisas...

Lei de Moore: até quando? – V A razão do limite - Por B.Piropo

2005-06-04T01:29:00.000-03:00

Até aqui, nesta série de colunas, vimos que a capacidade de processamento dos microprocessadores vem sendo aumentada ao longo do tempo graças ao incremento de sua freqüência de operação. O que, por sua vez, exige a fabricação de transistores em camadas de silício cada vez menos espessas. Depois, comparamos a ordem de grandeza dos componentes dos circuitos integrados com objetos conhecidos, discutimos a tecnologia de fabricação de transistores e sua função nos circuitos eletrônicos. Hoje vamos ver as razões pelas quais essa tecnologia está prestes a chegar a seu limite.

Segundo o trabalho "Limits to Binary Logic Switch Scaling--A Gedanken Model," publicado por quatro pesquisadores da Intel no Proceedings of the IEEE em novembro de 2003, o recurso de aumentar a freqüência de operação reduzindo a espessura da camada de silício tem seus dias contados, o que obrigará a busca de uma tecnologia alternativa para a fabricação de circuitos integrados, inclusive microprocessadores. E, embora especulações sobre esse assunto sejam relativamente comuns entre os especialistas, essa foi a primeira vez que uma equipe da própria Intel admitiu a existência de tais limitações.

Que este limite chegaria um dia, é sabido. Afinal, a espessura da camada de silício não poderia continuar diminuindo indefinidamente. Se reduzirmos o problema à sua expressão mais simples, fica evidente que uma camada de silício não pode ser mais “fina” que o diâmetro de uma molécula de silício, portanto não há como negar que um limite forçosamente existirá. O problema consiste em saber qual será ele e, sobretudo, quando ocorrerá.

Figura1

O gráfico exibido na Figura 1 é absolutamente atual. Ele faz parte da documentação técnica apresentada pela própria Intel há uma semana no seu Intel Developer’s Forum, em San Francisco, EUA (o IDF Spring 2005, realizado de 01 a 03/03) e mostra a evolução da Lei de Moore nos últimos quarenta anos. O eixo horizontal corresponde aos tempo e sua origem é 1970 (o i4004, primeiro microprocessador da Intel, foi fabricado em novembro de 1971). O eixo vertical corresponde ao número de transistores de cada um dos microprocessadores mostrados nos quadrados azuis. A linha vermelha é uma “linha de tendência” e mostra onde se situariam os microprocessadores caso o número de transistores tivesse dobrado a cada dois anos desde 1970. A linha azul mostra a evolução real, unindo os pontos correspondentes aos diversos microprocessadores. Seu primeiro trecho, de 1970 até pouco depois de 1990, mostra que o número de transistores praticamente dobrou a cada dois anos (neste trecho a linha azul é quase coincidente com a vermelha). Depois, a partir do final da década de noventa, ela sofre uma inflexão para cima, mostrando que o número de transistores tem dobrado a cada ano e breve ultrapassará a casa do bilhão: o Itanium de núcleo duplo (“dual core”) a ser lançado ainda este ano atingirá à impressionante marca de 1,7 bilhão de transistores em um único circuito integrado. Em suma: até agora a Lei de Moore vai muito bem, obrigado.

E, pelo menos no que diz respeito à Intel, ela se estenderá comprovadamente pelo menos por mais cinco anos. O que se pode perceber examinando a Figura 2 (semelhante à figura 3 da coluna anterior, “Transistor, a dimensão”, porém bastante mais recente já que foi obtida no material técnico distribuído pela Intel no IDF Spring 2005) com imagens obtidas por microscopia eletrônica de transistores já efetivamente fabricados. O primeiro deles, no canto superior esquerdo da figura, corresponde à tecnologia atual: camada de silício de 90 nm e porta de 50 nm. O seguinte é ainda um protótipo, mas por pouco tempo: nos próximos meses serão fabricados transistores com camada de silício de 65 nm e porta de 30 nm. Os demais, também protótipos, estão previstos para entrar em fabricação em 2007 (camada de silício de 45 nm e porta de 20 nm), 2009 (camada de silício de 32 nm e porta de 15 nm) e 2011 (camada de silício de 22 nm e porta de 10 nm). Repito: essas imagens são reais, obtidas de transistores fabricados na condição de protótipo. E a Intel pretende estender essa tecnologia um pouco além: seus técnicos prevêem que entre 2018 e 2021 ela estará fabricando transistores com camada de silício de 16nm. Mas daí em diante a coisa pega...

Figura1

E pega porque, de acordo com dados da própria Intel (veja a tendência mostrada no gráfico da Figura 4 da coluna anterior), quando isso ocorrer a largura da porta será da ordem de 5 nm.

Como vimos nas colunas anteriores, nos circuitos digitais os transistores são usados como chaveadores de corrente. Aplicando-se uma tensão à porta, o trecho da camada de silício entre fonte e dreno torna-se condutor, permitindo que uma corrente flua entre fonte e dreno. Eliminando-se a tensão, o trecho da camada de silício entre fonte e dreno volta a ser isolante e a corrente é interrompida.

Acontece que não existe isolante perfeito. E o silício usado no processo de fabricação dos transistores não seria exceção.

Quanto menor a largura da porta, mais próximas ficarão as regiões da fonte e dreno do transistor (veja os diagramas esquemáticos da coluna anterior e repare como as áreas escuras que correspondem à fonte e dreno quase se tocam no protótipo de transistor de porta de 10 nm mostrado no canto inferior direito da Figura 2 acima). Os técnicos afirmam que quando a largura da porta chegar a 5 nm, fonte e dreno ficarão separadas por um trecho de silício tão pequeno que não conseguirá isolar completamente a fonte do dreno, havendo uma probabilidade de 50% que a corrente flua mesmo quando não houver tensão aplicada à porta (este fenômeno denomina-se “tunneling”). Quando isso ocorre o transistor deixa de ser confiável como dispositivo de processamento de dados.

Estimativas otimistas consideram que se pode chegar até portas de 4nm e obter transistores ainda confiáveis, mas dificilmente se poderá chegar a menos do que isso. O que significa que, levando-se em conta a limitação imposta pela largura mínima da porta, a tecnologia atual de fabricação de transistores dificilmente sobreviverá mais do que quinze anos.

Mas esse não é o único problema. Há um outro tão ou mais grave: a dissipação de energia.

Pois ocorre que quanto menores são os transistores em um circuito integrado, maior sua “densidade”, ou seu número por unidade de área. O acúmulo de um número muito grande de transistores (da ordem de bilhões) em uma área pequena concentra tremendamente a produção de calor devido à dissipação de energia pela corrente elétrica que circula nos transistores. Se essa energia não for rapidamente removida do circuito e transferida para o ambiente, o chip atingirá temperaturas tão elevadas que, literalmente, derreterá.

Qualquer um que tenha acompanhado a evolução das placas-mãe nos últimos 25 anos lembrará que, do 8086 que equipava o primeiro PC lançado em 1981 pela IBM até o 386 fabricado no final dos anos 80, o chip repousava soberano sobre seu soquete e temos conversado. Foi somente a partir dos 486 que se começou a equipar o microprocessador primeiro com um simples dissipador de calor passivo (uma peça, geralmente de alumínio, dotada de aletas para aumentar a superfície de contato com a atmosfera e facilitar a transferência de calor) e depois com uma ventoinha para acelerar ainda mais essa transferência. E, hoje, chegamos ao ponto em que um dos componentes mais importantes de uma máquina equipada com um processador de última geração é o dissipador de calor montado sobre a CPU.

Em resumo: o número de transistores que pode ser concentrado em uma pequena área depende não só da tecnologia de fabricação como também da capacidade do sistema de remover o calor do chip, dissipando-o na atmosfera. E esse número tem um limite.

Segundo Paolo Gargine, Diretor de Tecnologia da Intel, mesmo que se conseguisse desenvolver uma tecnologia capaz de contornar o limite da largura da porta resolvendo o problema do “tunelling” e se fabricasse um microprocessador com transistores com porta de 3 nm, não haveria como remover dele o calor com a mesma rapidez com que seria produzido. O chip se auto-destruiria.

Em resumo: seja devido à limitação imposta pelo fenômeno de “tunneling”, que limita a largura da porta dos transistores, seja em virtude dos problemas relativos à dissipação de calor, a tecnologia atual de fabricação de microprocessadores está próxima do fim. Cedo ou tarde – e em não mais que quinze ou vinte anos – outras opções terão que ser desenvolvidas.

Essas tecnologias alternativas serão o assunto das próximas colunas.

Lei de Moore: até quando? – IV Transistor, a dimensão - Por B.Piropo

2005-06-01T21:09:00.000-03:00

Um transistor é um dispositivo eletrônico com um imenso número de aplicações. Mas, na informática, ele encontra certamente sua aplicação mais simples: “chaveamento de corrente”. Uma espécie de interruptor sofisticado. Eu poderia dizer que ele funciona como um relé eletrônico, mas para quem não sabe o que é relé a explicação não será de muita valia, portanto melhor evitá-la (porém, para quem sabe, fica aí uma boa indicação...)

Vamos ver, de forma muito simplificada, o que eu quero dizer com “chaveador de corrente”. Um transistor tem três elementos internos: fonte, dreno e porta, cada um ligado a um terminal. Internamente, a fonte se interliga ao dreno e a porta se interpõe entre eles. Aplique uma tensão elevada ao terminal ligado à fonte, uma tensão mais baixa (ou nula, “aterrando-o”) ao terminal ligado ao dreno e nenhuma tensão à porta. O que acontece? Como a fonte está ligada ao dreno, a tendência seria a formação de corrente entre fonte e dreno. Mas sem tensão aplicada à porta, o transistor funciona como um isolante e, apesar da diferença de tensões entre fonte e dreno, nenhuma corrente elétrica fluirá entre eles. Mas basta aplicar uma tensão, mesmo pequena, ao terminal ligado à porta que imediatamente o transistor começará a agir como um condutor de muito baixa resistência. Isso fará com que uma corrente se estabeleça entre fonte e dreno. Quer dizer: o transistor funciona como se fosse um interruptor eletrônico. Se há tensão aplicada à porta, ele permite que a corrente flua da fonte para o dreno. Se não há, a corrente é bloqueada. Essa é a idéia de um “chaveador de corrente”: agir como uma “chave” que deixa ou não a corrente fluir entre dois terminais (note que “chave”, nesse contexto, não tem o significado usual de “chave para fechadura”, mas o de “chave elétrica”). Como se vê, um transistor é algo muito simples.

(Porque um componente simples assim tem tanta importância na eletrônica digital, a ponto de se montar um poderosíssimo microprocessador apenas combinando transistores é outra história – uma história, aliás, bastante interessante que talvez um dia eu explique aqui mesmo mas que, infelizmente, não cabe nesta série de colunas. Mas não custa dar uma pista: os transistores são os componentes eletrônicos que permitem materializar a “lógica digital”, ou seja, construir circuitos que reproduzam exatamente o comportamento das operações lógicas como AND, OR, XOR, NOT e todas as suas combinações, e essas operações lógicas estão para a ciência do processamento de dados assim como as operações elementares da soma, subtração, multiplicação e divisão estão para as ciências matemáticas. Se você está particularmente interessado no assunto, visite o Sítio do Piropo em < www.bpiropo.com.br > e dê uma espiada na seção “Arquitetura”)

Quem leu a coluna da semana passada sabe que um microprocessador é fabricado gerando milhões de transistores sobre uma série de camadas superpostas, constituídas cada uma por uma finíssima camada de cristal de silício puro. A Figura 1 mostra, sob a forma de um diagrama, o aspecto de um destes transistores.

Figura 1

Na parte inferior da figura, em azul, aparece um trecho da camada de cristal de silício, um material isolante. Acima dela, separada por uma fina camada de óxido de silício mostrada em amarelo, aparece um contato de polissilício, material condutor, mostrado na cor ocre (cor de tijolo). E, na mesma cor, na parte superior da camada de silício, logo abaixo de sua superfície, de ambos os lados do contato de polissilício, os trechos transformados em condutores devido à ação dos “dopantes” (não entendeu? Então leia a coluna da semana passada, “Fazendo microprocessadores”). O contato de polissilício agirá como “porta” e as duas regiões que receberam dopantes agirão como “fonte” e “dreno” deste transistor elementar.

Mas como funciona esse negócio?

Examinemos a Figura 2, que mostra o mesmo transistor em três diferentes situações. Na primeira, Fig 2-A, ele está em repouso, sem tensões aplicadas. Não havendo tensões, o trecho entre fonte e dreno, abaixo da camada de óxido de silício que separa a porta dos demais componentes, se comporta como isolante. A Fig. 2-B mostra o mesmo transistor, agora com uma tensão Vp aplicada à sua porta. Isso faz com que o trecho da camada de silício situado abaixo da porta passe a se comportar como condutor. Finalmente, a Fig. 2-C mostra as tensões Vf e Vd aplicadas à fonte e dreno, respectivamente. Como fonte e dreno agora estão separados por um trecho de material condutor, a diferença de tensões fará com que se estabeleça a corrente I entre eles, através desse trecho condutor. Eliminada a tensão Vp aplicada sobre a porta, o trecho da camada de silício abaixo dela volta a se comportar como isolante e a corrente I é interrompida, mesmo que ainda existam as tensões Vf e Vd. O transistor, portanto, funciona “chaveando” a corrente entre fonte e dreno, ou seja, deixando-a fluir ou não dependendo do fato de haver ou não tensão aplicada à porta. É simples assim.

Figura 2

O esquema acima, por incrível que pareça, não é muito diferente do aspecto real de um microscópico transistor criado no interior de um microprocessador. Na verdade, é bem parecido. Apenas muito maior. E bota maior nisso...

Quem acompanha esta série de colunas desde o início sabe que os progressos no aumento da capacidade de processamento dos microprocessadores são alcançados graças, principalmente, à redução da espessura da camada de silício (mostrada em azul na Fig. 1) usada como base para gerar transistores. E sabe também que a tecnologia atual de fabricação de microprocessadores emprega uma camada com espessura de apenas 90 nm. Ora, em um campo onde a precisão é absolutamente fundamental, antes que um processo de fabricação assim delicado entre em regime industrial, transcorrem anos de testes e pesquisas. Portanto, se a Intel usa uma técnica de fabricação sobre camada de 90 nm e pretende reduzir essa espessura, deve estar, neste exato momento, pesquisando e fabricando em condições de teste protótipos de transistores em camadas ainda menos espessas. E quem pensa assim tem razão. Basta ver a Figura 3, que mostra imagens de transistores fabricados em camadas de diversas espessuras, de 140 nm até incríveis 25 nm.

(Antes de prosseguir: as imagens mostradas, todas elas obtidas de material de divulgação ou documentação técnica da Intel, não são fotografias. Como se sabe, fotografar nada mais é que capturar a luz refletida pelos objetos, portanto é impossível fotografar algo que é menor que o comprimento de onda da luz visível. As imagens exibidas na Figura 3 foram obtidas através de microscopia eletrônica, a única forma de “visualizar” objetos na escala de alguns nanômetros. Mas são uma representação bastante fiel da realidade).

Figura 3

A Fig. 3 mostra, da esquerda para a direita e de cima para baixo, imagens de cinco transistores fabricados em camadas de silício cada vez menos espessas. Compare-as com as imagens esquemáticas das Figs. 1 e 2 e note, principalmente nas imagens 1 e 3 da Figura 3 a perfeita semelhança. Esta semelhança facilita a identificação dos elementos: a camada de silício, na parte inferior, o depósito de polissilício que forma a “porta”, no centro e ao alto, e até mesmo (mais facilmente identificável nas imagens 1, 2 e 3 da Figura 3) as regiões mais escuras que receberam os dopantes e funcionam como material condutor, formando fonte e dreno de cada transistor. Também nessas três imagens pode-se distinguir a fina película de óxido de silício que separa a porta da camada de silício da base. E em todas elas é fácil notar a “largura” do depósito de polissilício que forma a porta (mesmo porque, em cada imagem, essa largura está assinalada). Repare como, na medida que se reduz a espessura da camada do silício, também se reduz a largura da porta. Tanto é assim que a Figura 4 (também material técnico fornecido pela Intel) mostra dois gráficos, um deles, em preto, exibindo a redução da espessura da camada de silício ao longo do tempo e o outro, em vermelho, mostrando a evolução da largura da porta dos transistores no mesmo período.

Figura 4

Sobre a Figura 4 cabem algumas observações. A primeira é que ela foi gerada no ano de 2002, portanto tudo o que aparece nos anos subseqüentes corresponde a previsões efetuadas com os dados disponíveis naquele ano. A segunda é que a espessura da camada de silício que corresponde ao ano de 2005 está aparentemente errada: consta no gráfico uma espessura de 65 nm e, como sabemos, a tecnologia atual é baseada em uma camada de silício de 90 nm, Mas isto apenas ocorre porque ainda estamos em fevereiro, pois segundo Frank Spindler, Vice-Presidente da Intel e Diretor do Programa de Tecnologia Industrial da empresa, ela adotará a tecnologia de 65 nm antes do final deste ano, portanto o gráfico está correto. Finalmente: note que a Intel espera adotar o processo de fabricação em camada de silício de 30 nm até 2010 e que, nessa ocasião, a espessura da porta não ultrapassará os 15 nm.

Por hoje, terminamos. E o que deveremos lembrar para a semana que vem? Que quanto mais fina fica a camada de silício onde os transistores são gerados, mais estreita é a porta e mais fina a película de óxido que a separa do suporte.

Por que?

Porque estes são os principais fatores que farão com que, para que a Lei de Moore continue vigendo, dentro de menos de duas décadas seja preciso mudar radicalmente a tecnologia usada para fabricar microprocessadores.

Lei de Moore: até quando? – III Fazendo microprocessadores - Por B.Piropo

2005-05-31T20:06:00.000-03:00

A vantagem (ou seria a desvantagem?) de se escrever colunas em um Fórum como este é que o processo acaba se tornando interativo. Embora, quando iniciei a série, já tivesse um “rumo” traçado até o final, é inegável que os comentários postados pelos que têm tido a paciência de acompanhar o tema acabam influenciando. E causando não exatamente uma mudança de rumo, mas pequenos desvios. Como esse de hoje, motivado, entre outros, pelo comentário do ilusionbr, que pergunta se não existiria alguma matéria em português sobre o processo de fabricação de um microprocessador.

Talvez exista, pensei eu. Mas é muito mais fácil analisar o funcionamento de alguma coisa quando se sabe como ela é feita. Então decidi incluir na série o artigo de hoje, uma breve descrição do processo de fabricação de microprocessadores baseada em material técnico distribuído pela Intel em um de seus últimos “Developer’s Forum”.

Um microprocessador, ou CPU, nada mais é que um circuito integrado “inteligente”. A diferença entre ele e um circuito integrado comum (não ficaria bem chamá-lo de “burro”...) é que este último é concebido para cumprir uma única função, enquanto o microprocessador é capaz de cumprir diversas, de acordo com “instruções” recebidas sob a forma de pulsos elétricos (ou números binários, o que dá no mesmo; um conjunto de instruções, em números binários, encadeadas e com um determinado objetivo, denomina-se programa em linguagem de máquina). Mas, reduzido à sua expressão mais simples, a poderosa CPU de sua máquina nada mais é que um circuito integrado.

Um circuito integrado é uma combinação de transistores interligados fabricados em uma única peça envolta em um encapsulamento protetor com terminais (contatos elétricos) que permitem sua comunicação com o mundo exterior. O processo de fabricação de uma CPU envolve mais de 300 passos cujo resultado é uma peça circular de 30 cm de diâmetro com centenas de microprocessadores, como mostrado na Figura 1 (no caso da figura, protegido no interior de uma caixa plástica). Cada pequeno quadrado que se percebe na peça é um microprocessador sem seu encapsulamento. Essa peça toma o nome de “wafer” (porque, como logo veremos, ela é constituída de camadas sobrepostas, como um biscoito tipo “wafer”) e para que se tenha uma idéia de suas proporções ela é mostrada nas mãos desse escrevinhador na Figura 2. Um desses wafers gerará centenas de CPU assim que seus microprocessadores forem separados e inseridos no encapsulamento apropriado (o wafer fotografado é refugo do processo de fabricação; um wafer usado efetivamente para produzir microprocessadores jamais pode sair da “sala limpa”).

Trata-se de uma grande instalação industrial hermeticamente fechada, na qual o ar é permanentemente filtrado de modo a manter uma concentração de partículas em suspensão inferior a cem por metro cúbico (leia a coluna da semana passada, “O rápido e o pequeno”) e onde só se pode permanecer usando trajes especiais que impeçam a contaminação do ar pela respiração humana, como os mostrados na Figura 3. O resultado final do processo de fabricação é um “chip” (como o exibido na Figura 4, com a face inferior voltada para cima sobre um wafer).

Figura 1: Wafer de microprocessadores

Figura 2: Wafer de microprocessadores

“Sala limpa” é o ambiente onde se dá o processo de fabricação da CPU.
Note que a maior parte do tamanho do chip corresponde a seu encapsulamento (cuja grande superfície é necessária não apenas para abrigar as centenas de contatos elétricos que efetuam a comunicação com o mundo exterior como também para facilitar a dissipação do calor). O microprocessador propriamente dito é do tamanho do quadrado do centro do chip e corresponde a um dos pequenos quadrados que podem ser distinguidos no wafer (as figuras 3 e 4 são material de divulgação da Intel).

Figura 3: Traje para trabalhar em sala limpa

Figura 4: Microprocessador sobre wafer

O processo de fabricação de um wafer começa com a fabricação de um cilindro de silício (silício é um mineral barato, abundante na areia) extremamente purificado. Após liquefazer o silício, deixa-se a temperatura baixar lentamente, permitindo que o material se cristalize. Isso gera um cilindro de puríssimo cristal de silício com 30 cm de diâmetro denominado “ingot”. Este cilindro é então fatiado usando instrumental de precisão. O processo atual de fabricação produz fatias de 90 nm de espessura (veja colunas anteriores) que são polidas até remover completamente as irregularidades da superfície e sobrepostas a um suporte circular de material inerte de mesmo diâmetro para facilitar a manipulação. Esse suporte deve ser suficientemente espesso para resistir fisicamente ao processo de fabricação.

O passo seguinte é fazer com que uma camada finíssima de óxido de silício se deposite uniformemente sobre a camada de silício. Óxido de silício é um material isolante. A deposição se dá em uma câmara hermética a altíssima temperatura (na verdade, uma fornalha). A espessura da camada de óxido de silício que se deposita depende do tempo que a peça permanece na fornalha e é da ordem de poucos nanômetros.

Neste ponto o wafer já tem três camadas: o suporte físico (um material isolante), o silício (que, puro, também é isolante) e o óxido de silício (ainda um isolante). Agora, é preciso criar as microscópicas áreas de material semicondutor para gerar os transistores. Isso é feito através de um processo denominado “fotolitografia”.

Primeiro, aplica-se sobre a camada de óxido de silício uma outra camada de material fotossensível (sensível à luz) semelhante a uma película fotográfica. Depois, coloca-se sobre o conjunto uma máscara com perfurações microscópicas em pontos precisamente determinados e banha-se a superfície com um feixe de luz ultravioleta. Os pontos da camada de material fotossensível que receberam luz através dos orifícios da máscara sofrem uma alteração química, o que permite que o material seja facilmente removido, expondo o óxido de silício apenas naqueles pontos. Esse óxido de silício então é removido por um processo de precisão denominado “entalhamento” que expõe, apenas nesses pontos, a superfície da camada de cristal de silício. Em seguida, o restante do material fotossensível é removido. O resultado é uma camada de silício cuja superfície é tomada por uma matriz de pequenos pontos recobertos por uma fina película de dióxido de silício.

Sobre cada um destes pontos é aplicada uma partícula de polissilício, um composto condutor de eletricidade, para formar a “porta” (ou “gate”) de um transistor . E as áreas circunvizinhas da camada de silício, expostas pelo processo de entalhamento, são bombardeadas com moléculas de materiais denominados “dopantes” (impurezas, como cianetos e outros compostos) que penetram alguns nanômetros na superfície cristalina e, apenas nessa região, alteram as propriedades do silício transformando-o em material condutor de eletricidade (essas áreas formarão o “dreno” e a “fonte” dos futuros transistores; detalhes na coluna da próxima semana). O aspecto de uma dessas camadas, ou “die”, é o mostrado na Figura 5, que exibe a foto obtida por microscópio de uma camada de um antigo processador Cyrix 386.

Figura 5: "Die" de microprocessador Cyrix 8x86

Terminada a fabricação da primeira camada, camadas adicionais da película de cristal de silício são a ela superpostas, revestidas com óxido de silício, novamente revestidas com material fotossensível, protegidas com uma máscara, submetidas ao banho de ultravioleta, e assim por diante, repetindo-se o processo de vinte a vinte e cinco vezes, em um procedimento que dura diversas semanas. Nas camadas intermediárias, além dos pontos que formarão porta, dreno e fonte dos futuros transistores, são abertos pequenos orifícios, ou janelas, na camada de silício. O preenchimento desses orifícios com um metal (alumínio ou, mais modernamente, cobre) forma os condutores elétricos que interconectam os transistores das diversas camadas. O resultado final é um conjunto de camadas de silício superpostas, cada uma contendo de centenas de milhares a milhões de transistores interconectados.

Depois de confeccionada a camada superior, começa o processo de acabamento. Primeiro, a camada suporte (base física do wafer) tem sua espessura reduzida a um terço, é limpa, polida e recoberta com uma camada protetora. Em seguida, eletrodos são ligados aos diversos contatos de cada microprocessador do wafer e são efetuados testes através de um computador para verificar o funcionamento de cada um. Finalmente, o wafer é cortado, separando as centenas de microprocessadores nele contidos. Os que não foram aprovados nos testes são descartados e os remanescentes são montados em seus encapsulamentos. Os produtos finais são submetidos a longos “testes de estresse” e os aprovados são encaminhados para comercialização.

Pronto. Agora que sabemos como é fabricado um microprocessador com seus milhões de transistores, podemos avaliar como funciona cada um desses transistores, entender suas limitações e perceber, afinal, como elas interferem no futuro da Lei de Moore.

Assunto das próximas semanas, naturalmente.

Lei de Moore: até quando? - II O rápido e o pequeno - Por B.Piropo

2005-05-30T22:04:00.000-03:00

Sei não, mas a julgar pelos comentários que a coluna da semana passada está recebendo, parece que meti a mão em um vespeiro... Tem até gente que quase terminou a série para mim nos comentários (quem está lendo a coluna no meu sítio encontrará os comentários logo após esta coluna na seção “Colunas / B.Piropo” do ForumPCs). Mas vamos em frente, devagar, como convém, para que todos possam acompanhar.

Lembram do final da coluna passada? Falávamos de coisas muito pequenas e da noção que temos (ou que não temos) de seu tamanho. Pois exploremos um pouco mais o assunto. Começando com as coisas muito rápidas, muito além daquilo que nós podemos avaliar.

Com que velocidade os sinais elétricos percorrem um condutor? Note que isso não é o mesmo que a velocidade da corrente elétrica (velocidade com que os elétrons se deslocam no condutor), mas algo bastante diferente. É como se você enfileirasse dez bolas de sinuca em uma linha perfeitamente reta e lançasse violentamente uma outra bola, exatamente no mesmo alinhamento, contra a face frontal da primeira bola de uma extremidade. Se você fizer a coisa bem feita, nenhuma das bolas se moverá (inclusive a que você disparou, que ao se chocar com a primeira bola alinhada, permanecerá imóvel junto à ela), exceto a décima, da outra extremidade, que disparará com (quase) a mesma velocidade da bola que você lançou. O que na verdade aconteceu é que a bola que se movia transferiu sua energia de bola em bola para a que estava imóvel no final da fila (ou quase toda; há sempre alguma perda quando a energia passa de uma bola para outra). E essa transferência se fez quase instantaneamente, mesmo sem mover as bolas.

Pois quando se aplica um pulso de tensão elétrica (“sinal”) na extremidade de um condutor os elétrons ao longo do condutor se comportarão como as bolas alinhadas: eles praticamente não se movem, apenas transferem sua energia para os que estão em sua frente até que o pulso de tensão seja “sentido” na outra extremidade do condutor. Pois bem: com que velocidade esse “pulso” (e não os elétrons, repito) percorre o condutor? (experiências mostram que os elétrons se movem, sim, mas muito lentamente, a cerca de 4 km/h, mais ou menos a mesma velocidade de um homem andando).

A física demonstra que a velocidade com que os sinais elétricos são transmitidos ao longo do condutor é “quase igual” à velocidade da luz. Então, simplificando, vamos presumir que ela seja efetivamente igual à velocidade da luz, que como todos sabemos é C = 300.000 km/s ou, em “notação científica” 3 x 10^5 km/s (a chamada “notação científica” usa potências de dez para exprimir grandezas; aqui, o símbolo 10^5 significa “dez elevado à quinta potência"). Para convertê-la em centímetros por segundo basta multiplicá-la por 100.000 (o número de centímetros em um quilômetro), o mesmo que acrescentar cinco zeros ao expoente. A velocidade da luz é então igual a 3 x 10^10 cm/s e os sinais se movem nos condutores elétricos a essa velocidade (isso está ficando chato? Faça um esforço e continue lendo, prometo que logo você se surpreenderá agradavelmente).

Para avaliar a magnitude dessa velocidade, considere o seguinte: a distância (em linha reta) entre as cidades do Rio de Janeiro e São Paulo é pouco maior que 300 km (cerca de 330 de periferia a periferia, acabo de medir no mapa). Se estendermos um condutor elétrico em linha reta de São Paulo ao Rio e aplicarmos um pulso de tensão na extremidade paulista, esse pulso chegará ao Rio cerca de um milésimo de segundo depois. E um milésimo de segundo é quase nada. Portanto, se em distâncias desta ordem o efeito da aplicação do pulso é quase imediato, o que não dizer das pequenas distâncias que separam os componentes na nossa placa-mãe, por exemplo? Será que o tempo de percurso dos sinais nesses condutores de poucos centímetros de comprimento tem alguma importância ou poderemos simplesmente desprezá-lo por ser demasiadamente pequeno? Vamos ver.

Pense na placa-mãe de seu computador. Especialmente naqueles estreitos filetes dourados impressos sobre ela. Pois, juntos, eles formam o “barramento”, o conjunto de condutores elétricos que transportam os sinais da CPU para a memória e para os dispositivos de entrada e saída. Quanto mede o mais longo daqueles filetes do barramento que liga a CPU à memória? Digamos que seja algo em torno de 10 cm, ou, em notação científica, 1 x 10^1 cm.

Agora, diga-me lá: se a CPU aplicar um pulso de tensão em uma extremidade desse condutor, quanto tempo depois ele será “percebido” na extremidade oposta? Essa é fácil: se velocidade é o quociente entre espaço percorrido e tempo gasto para percorrê-lo, para obter o tempo basta dividir o espaço percorrido pela velocidade, ou seja, dividir 1 x 10 cm por 3 x 10^10 cm/s. Resultado: 0,33 x 10^-9 segundos. O mesmo que 0,33 bilionésimos de segundo, ou ainda 0,33 ns (nanossegundo).

Rapidinho, nénão? Se o milésimo de segundo transcorrido para o pulso se propagar de São Paulo ao Rio era quase desprezível, que dizer de um terço de um bilionésimo de segundo?

Mas espere um pouco: a quantas anda a freqüência de operação (isso que os leigos chamam de “clock” ou “velocidade”) das modernas CPU? Acabei de dar uma olhada no sítio da Intel e descobri que seu Pentium 4 Extreme Edition HT mais rápido opera na faixa de 3,2 GHz a 3,46 GHz. Tomemos 3,3GHz para simplificar. Isso significa que a cada segundo ele executa 3,3 bilhões de ciclos de máquina (1GHz = 1 bilhão de ocorrências por segundo). Pense depressa e responda: quanto tempo dura cada um desses ciclos? Fácil: basta dividir 1 (um segundo) por 3,3 bilhões. Vou fazer a conta para você: a duração de um ciclo de máquina de uma CPU que opera a 3,3 GHz é de 0,3 x 10^-9 segundos, ou 0,3 ns. Pouco MENOS que um terço de um bilionésimo de segundo...

Percebeu? A duração do ciclo de uma CPU de última geração é MENOR que o tempo gasto pelo sinal para se propagar ao longo de um condutor de 10 cm.

Assustou-se? Pois deveria. Se no início de um de seus ciclos esse processador aplicasse um pulso de tensão em uma extremidade de um condutor de 10 cm, esse pulso só seria sentido na outra extremidade do condutor DEPOIS de iniciado o ciclo de máquina seguinte!!! (sim, de uma forma muito simplificada e sem levar em conta a tecnologia de fabricação de memórias, basta essa razão para explicar porque os FSB , Front Side Bus, ou barramentos frontais, que ligam a CPU à memória, não podem operar na mesma freqüência das CPU modernas).

Alguma vez você havia se dado conta disso? Afinal, a gente sempre se acostumou a pensar que tudo aquilo que trafega na velocidade da luz percorre imensas distâncias quase instantaneamente. Saber que ela percorre apenas 10 cm durante um ciclo de máquina de uma CPU moderna não deixa de ser assustador...

E esse é apenas um exemplo do que pode ocorrer no mundo do muito rápido.

Agora, vamos ao muito pequeno.

Vimos na semana passada que a tecnologia de fabricação de microprocessadores já chegou ao ponto de criar transistores em uma camada de silício com apenas 90 nm de espessura. Mas o que significa exatamente isso? Quão pequena é realmente essa medida?

Pense em uma coisa pequena, das menores que você consegue ver. Vou ajudar: você está fazendo uma refeição deliciosa. De repente, percebe, enroscado sobre o molho chantili, um fino fio de cabelo. Dá pra ver, nénão? (eu costumo encontrar alguns meus sobre o teclado, mas apenas porque o teclado é preto...).

Pois, dentre os objetos comuns de nossa vida diária, fios de cabelo são talvez os menores objetos visíveis a olho nu. Sabe qual é seu diâmetro? Mais ou menos um décimo de milímetro, o mesmo que 100 u (cem micra; micra é o plural de mícron, uma medida que equivale a um milionésimo de metro, o mesmo que um milésimo de milímetro; seu símbolo é a letra grega “mu”, mas para evitar problemas de exibição em diferentes vídeos vamos usar aqui a letra “u” minúscula, bastante parecida com a letra grega “mu”, para simbolizar o mícron). Como isso se compara com a espessura da camada de silício usada para fabricar nossos computadores? Convertendo o diâmetro do fio de cabelo para nm: 100 u = 100.000 nm. Dividindo o resultado pela espessura da camada de silício: 100.000/90 = 1.111. Ou seja, um fio de cabelo é cerca de mil e cem vezes mais espesso que a camada de silício. Mas o que isso significa exatamente?

Vamos a um exemplo. Uma bola de futebol oficial tem um diâmetro de 22 cm (o texto “As 17 regras do futebol” afirma que a circunferência da bola deve se situar entre 68,5 cm e 69,5 cm, o que corresponde a um diâmetro de 22 cm). Os grandes estádios brasileiros, como o Maracanã, Morumbi e Mineirão, têm um diâmetro externo de cerca de 250 m. Ponha uma bola de futebol exatamente no meio do círculo central do campo. Agora, pegue um helicóptero e suba verticalmente até que você consiga enxergar todo o estádio e ainda consiga distinguir a bola. É isso. A espessura da camada de silício está para o diâmetro do fio de cabelo assim como o diâmetro da bola de futebol está para o do estádio.

Mas um fio de cabelo ainda pode ser distinguido a olho nu. E o que não pode?

Talvez você já tenha “visto” um raio de sol. Acontece quando, em um dia ensolarado, estamos em um ambiente no qual reina a penumbra e onde o sol penetra por um orifício ou fresta de janela. Então a gente distingue claramente o trajeto do raio de sol, como se o ar “brilhasse” naquela região. Na verdade o que se vê não é o raio de sol, mas as partículas de poeira que estão em suspensão no ar, extremamente pequenas, mas suficientes para refletir a luz. São muitas. Se você já abriu seu computador há de ter percebido um notável acúmulo dessas partículas sobre as placas, próximo da ventoinha, nos dissipadores de calor. Mesmo dentro de casa você inspira até 50 bilhões destas partículas por hora. Calcula-se que em um ambiente com ar relativamente “limpo” existam mais de cem mil destas partículas por metro cúbico de ar. No entanto nós não as vemos por serem demasiadamente pequenas. De que tamanho elas são? Segundo os especialistas em poluição do ar, as maiores partículas que não se sedimentam (ou seja, ficam “flutuando” mesmo no ar parado) têm diâmetro menor que 100 u (ou seja, que o de um fio de cabelo). Mas a grande maioria das que permanecem em suspensão são dez vezes menores, ou seja. 10 u. E mesmo o diâmetro destas últimas é mais de cem vezes maior que a espessura da camada de silício usada para fabricação das CPU modernas (é por isso que o ar do ambiente onde se fabrica as CPU tem que ser filtrado até ser considerado “limpo”, ou seja, ter menos de cem partículas em suspensão por metro cúbico).

E o que temos ainda menor que isso? Que tal bactérias, as menores formas de vida? Há bactérias de diversos tipos e formatos, como os espirilos, com forma helicoidal cujo comprimento pode chegar a dezenas de micra, ou como os vibriões, um cilindro que chega a dez micra de comprimento. As menores são os cocos, pequenas esferas com diâmetro de um mícron. Pois bem: seu diâmetro é cem vezes menor que a espessura de um fio de cabelo, mas ainda assim é dez vezes maior que a espessura da camada de silício.

Mas, afinal, existe algo MENOR que essa tão falada espessura da camada de silício?

Claro que sim. Por exemplo, os vírus. Há vírus maiores, com diâmetro de até 300 nm. Mas os menores não ultrapassam 5 nm, um tamanho dezoito vezes inferior ao da espessura da camada de silício (eu disse que as bactérias são as menores formas de vida conhecidas porque vírus não são propriamente criaturas vivas, são apenas uma molécula de DNA com informações genéticas envolta em uma capa protetora de proteína; a única função vital que ele desempenha é a da reprodução, e ainda assim só consegue fazê-lo parasitando outras células). A maioria dos vírus são pouco maiores que moléculas (embora existam muitas moléculas maiores que vírus).

E por falar em moléculas, também elas são menores que a espessura da camada de silício. E não poderia ser diferente, já que a própria camada de silício é constituída, naturalmente, de moléculas de silício. Há moléculas de diversos tamanhos. As da porfirina, por exemplo, uma substância orgânica que integra a hemoglobina de nosso sangue, têm um diâmetro de 1,5 nm (veja o artigo: “Molecular Manipulation”. Mas as moléculas de substâncias minerais são menores. Por exemplo: o diâmetro de uma molécula de dióxido de silício, usado como isolante nos circuitos integrados, é de apenas 0,312 nm (veja artigo “Silicon Chips” ).

E a molécula de silício? Bem, silício é uma substância cristalina, ou seja, seus átomos são capazes de se disporem em uma estrutura tridimensional regular. E é nessa condição (cristalizada) que ela é usada para a fabricação de circuitos integrados. Portanto não há como falar em uma “molécula” de silício, mas sim na disposição espacial de átomos de silício (veja uma excelente descrição no artigo “Photovoltaics: How it works”). A Figura 1, do artigo “Microscope sets ‘small’ record” mostra uma imagem (obtida com o microscópio eletrônico do Oak Ridge National Laboratory) de um arranjo espacial de átomos em um cristal de silício. A distância entre as fileiras de átomos é de 0,08 nm.

Figura 1: Estrutura do cristal de silício

O que responde também à última indagação da coluna da semana passada. Como fotografar algo que mede uma fração de nanômetro se o comprimento de onda da luz visível se situa na faixa de 400 nm a 650 nm? A resposta é simples: é impossível. Para se obter “imagens” de objetos menores do que isso é preciso disparar um feixe de elétrons contra eles e capturar o que “sobrou” do feixe do outro lado. Essa é a idéia do microscópio eletrônico (e não pode ser considerada “fotografia”, pois fotografia implica captura de luz visível, não de um feixe de elétrons). É apenas com microscópios eletrônicos que se pode obter imagens de objetos tão pequenos.

Pronto. Agora que já temos uma idéia razoável das proporções dos objetos com os quais iremos lidar, poderemos entender a natureza do obstáculo que se interpõe no caminho da Lei de Moore.

Mas isso é assunto para a semana que vem.

Lei de Moore: até quando? - I Chegando aos 90 nm - Por B.Piropo

2005-05-29T16:36:00.000-03:00

Todo o mundo conhece a “Lei de Moore”, pois não? Aquela que diz que a capacidade de processamento dos microprocessadores dobra a cada 18 meses e que vem sendo comprovada desde que Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, a enunciou em 1965, quinze anos antes da era dos computadores pessoais. Na verdade, não se trata de uma lei científica como a da gravidade e similares. Ela é meramente o fruto da observação pessoal de Moore, que percebeu que o número de transistores dos circuitos integrados (um microprocessador nada mais é que um circuito integrado capaz de obedecer a instruções) crescia exponencialmente, dobrando a cada dois anos (naquela época; atualmente, a cada ano e meio), e previu que aquela tendência deveria continuar. Tratando-se de mera observação empírica, é espantoso como ela vem de fato se confirmando até os dias de hoje, como mostra a Figura 1, obtida no sítio da Intel (aqui, com mais informações sobre a lei e seu autor). Mas será que ela continuará valendo indefinidamente? Mantida a tecnologia atual de fabricação de microprocessadores, seguramente não. As previsões mais otimistas dão conta que ela vigerá ainda por cerca de quinze anos e o limite será atingido por volta do ano 2020.

Figura 1

Nessa série de colunas vamos procurar entender a razão dessa limitação e discutir se ela poderá ser ou não contornada com o uso de uma tecnologia alternativa à usada hoje para a fabricação de microprocessadores.

Um microprocessador nada mais é que uma extremamente complexa combinação de elementos muito simples, as “portas lógicas”, circuitos elementares capazes de “tomar decisões”. E portas lógicas são materializadas através da combinação de transistores. Portanto, para aumentar a capacidade de processamento, como a Figura 1 ilustra muito bem, é necessário aumentar o número de transistores dos microprocessadores (além de aumentar sua freqüência de operação, naturalmente).

Acontece que transistores nada mais são que uma espécie de interruptor comandado eletronicamente (na verdade são mais que isso: podem atuar também, entre outras funções, como amplificadores de sinal; mas seu papel na informática praticamente se limita ao de “chaveador de corrente”, uma espécie de interruptor sofisticado). Ocorre que quanto maior for o número de transistores, maior será a potência consumida pelo microprocessador. E quanto maior a potência consumida, maior a energia dissipada sob a forma de calor. Trocando em miúdos: como qualquer micreiro de respeito está cansado de saber, quanto maior a capacidade de processamento de uma CPU, mais ela esquenta. E esquenta tanto que, se providências radicais não forem tomadas para reduzir a produção de calor e dissipá-lo mais eficientemente para a atmosfera, o circuito simplesmente derrete.

Ocorre que, como sabe todo estudante de física elementar, a potência consumida em um circuito reativo é inversamente proporcional à resistência à passagem da corrente elétrica e diretamente proporcional ao quadrado da tensão (ou seja: P=(V*V)/R). Achou complicado? Então esqueça. Lembre apenas que quanto mais aumenta o número de transistores (e sua freqüência de operação, outro fator importante para aumentar a produção de calor), mais aumenta o afã dos fabricantes de microprocessadores para alcançar dois objetivos, ambos voltados para a redução da dissipação de calor: diminuir a tensão de alimentação (ou “voltagem”) e reduzir a resistência. E ainda assim só obtêm um sucesso parcial: os primeiros microprocessadores não precisavam de qualquer dispositivo de dissipação de calor, simplesmente se encaixavam nos seus soquetes e liberavam o calor para o interior do gabinete pela face exposta. A partir do i386 começaram a ser usados dissipadores metálicos sobrepostos aos chips para aumentar a superfície de contato com o ar. Já os 486 passaram a usar pequenas ventoinhas sobre os dissipadores metálicos para acelerar a troca de calor. E os microprocessadores modernos usam gigantescos dissipadores metálicos dotados de potentes ventoinhas, e ainda assim esquentam como o inferno – não é à toa que o artigo de Mestre Paulo Couto de 4 de dezembro de 2004 neste Forum PCs sobre refrigeração líquida de microprocessadores fez tanto sucesso.

Mas enfim: para continuar aumentando a capacidade de processamento de seus microprocessadores sem que eles derretam, os fabricantes devem ou baixar sua tensão de alimentação ou reduzir sua resistência à passagem da corrente elétrica ou ambos.

No que toca à redução de tensão, não poderão ir muito além do ponto a que chegaram: enquanto os primeiros microprocessadores eram alimentados com uma tensão de 5V, os modernos Pentium M, funcionando no modo “Battery Optimized”, de baixo consumo, trabalham com tensões de 0,812V operando na freqüência de 1 GHz (veja necessidades de tensão dos novos Pentium M aqui). E dificilmente conseguirão descer abaixo desse limiar (na verdade os microprocessadores “normais” da Intel usam tensões de alimentação na faixa de 1,3V a 1,5V, sendo a do Pentium M mais baixa porque ele se destina a dispositivos móveis, ou seja, computadores portáteis alimentados por baterias). Em resumo: reduzir mais a tensão não dá.

Então, o único caminho que restou é reduzir a resistência elétrica.

Ora, os microprocessadores modernos contêm dezenas de milhões de transistores (os novos Itanium, centenas de milhões). E é preciso um bocado de tecnologia para encaixar um número tão grande de transistores em uma superfície do tamanho da unha de seu polegar (sim, esse é o verdadeiro tamanho de um microprocessador, aquele trambolho mais ou menos do tamanho de um biscoito creme cracker é apenas o encapsulamento, uma base para poder encaixar as centenas de pinos ou pontos de contato elétrico usados para se comunicar com o mundo exterior).

Um transistor, sabemos todos, é constituído de uma porção de silício à qual foram agregadas algumas impurezas, especialmente germânio. Então, para fabricar um transistor, basta pegar uma fina placa de cristal de silício puro e acrescentar pequenas porções do elemento germânio. E como um circuito integrado (logo, um microprocessador) nada mais é que uma combinação de um imenso número de transistores, para fabricá-los usa-se uma única camada de silício na qual se depositam microscópicas porções de germânio em determinados pontos. Depois, é só fazer as interligações elétricas e envolver o “chip” no encapsulamento (sim, eu sei, isso é uma explicação extraordinariamente simplificada, mas para o fim a que se destina é perfeitamente aceitável).

Disso tudo, nos interessa um aspecto: quanto mais fina a camada de silício usada como base do circuito integrado, menor a resistência que ela apresentará à passagem da corrente elétrica e, portanto, menor o calor dissipado. E, como o número de transistores e a freqüência de operação dos modernos microprocessadores continua crescendo, não podendo baixar mais a tensão de alimentação, só restou aos fabricantes continuar reduzindo a espessura da camada de silício.

Os primeiros microprocessadores usados em computadores pessoais no final dos anos setenta do século passado eram fabricados sobre uma camada de silício com espessura de 10 micra (“micra” é o plural de mícron, uma medida de comprimento que corresponde a um milionésimo do metro, ou um milésimo de milímetro). Dez anos depois, na era dos i486 atingiu-se a um décimo dessa espessura, ou seja, cerca de um mícron. E em mais quinze anos reduziu-se novamente em dez vezes essa espessura. Na verdade um pouco mais que isso: os microprocessadores atuais da Intel são fabricados sobre uma camada de silício de exatamente 0,09 micron (o mesmo que 90 nm, ou nanômetros, sendo um nanômetro uma medida de comprimento igual a um bilionésimo de metro, ou um milionésimo de milímetro ou ainda um milésimo de mícron).

Resumindo: os microprocessadores atuais são fabricados sobre uma camada de silício de 90nm de espessura e os fabricantes, na sua ânsia de reduzir a resistência para diminuir a dissipação de calor, pretendem reduzi-la ainda mais.

Mas o que significa realmente uma espessura de 90nm? Ela é muito pequena, sem dúvida. Mas é comparável a que?

Neste ponto, para que possamos realmente entender as limitações que discutiremos adiante, vamos fazer uma pausa para discutir tamanhos de coisas muito pequenas. Por exemplo: qual será a espessura de um fio de cabelo? E o tamanho de um grão de poeira, desses que não vemos mas sabemos que flutuam no ar que respiramos? Qual o tamanho de uma bactéria? E de uma molécula? Qual será o diâmetro de um átomo? Será maior ou menor que, por exemplo, o comprimento de onda da luz visível? E, se for menor, será que podemos vê-los, mesmo usando dispositivos óticos potentes como os microscópios de última geração? Sendo a fotografia nada mais que a captura e gravação da luz refletida por um objeto, será possível fotografar um objeto menor que o comprimento de onda da luz visível?

Intrigantes questões, pois não? Então, vamos a elas.

Ou melhor: vamos deixá-las para a próxima semana, senão não sobra assunto para a coluna.

Foto da expansão do HL²

2005-05-28T17:19:00.000-03:00

Foi liberada pela Valve uma imagem de um dos capítulos (Lost Coast) da expansão (After Math) do HL² usando o novo sistema de radiosidade (iluminação =P) chamado HDRL (High Dynamic Range Lighting).