É difícil exagerar o quanto da nossa existência moderna depende de um dispositivo que começou como uma simples ferramenta de áudio. Antes de meados do século 20, os eletrônicos eram pesados, quentes e pouco confiáveis. O público dependia de tubos de vácuo para tudo, desde rádios até os primeiros computadores. Eles eram frágeis. Eles queimavam com frequência. Eles geraram calor suficiente para deformar o equipamento. Depois veio o transistor.
Desenvolvido em 1947 por engenheiros dos Laboratórios Bell, o objetivo original era modesto. Eles precisavam de uma maneira de amplificar o som pelas linhas telefônicas. O tubo de vácuo era o padrão, mas era desajeitado. O novo dispositivo substituiu-o por algo de estado sólido. Era menor. Foi mais legal. Era mais confiável.
A primeira iteração foi um transistor de contato pontual. Mediu meia polegada de altura. Aproximadamente 1,27 centímetros. Não era particularmente poderoso para os padrões atuais, mas os físicos viram o potencial imediatamente. Os engenheiros começaram a inserir esses pequenos interruptores em rádios e outros aparelhos eletrônicos. Eles aprenderam a encolhê-los. Eles aprenderam a torná-los mais eficientes.
Essa miniaturização implacável levou a um grande salto em 1958. Os engenheiros anexaram dois transistores a um único cristal de silício. Eles criaram o primeiro circuito integrado. Esta foi a ponte para o microprocessador. Se um computador é um corpo, o microprocessador é o cérebro. Ele processa dados. Faz cálculos. Sem o circuito integrado, esse cérebro nunca se forma.
Lei de Moore e a crise do silício
Na década de 1960, o ritmo da inovação tinha um nome. Gordon Moore, cientista da computação e cofundador da Intel, percebeu um padrão. Ele observou que os engenheiros dobravam o número de transistores em uma polegada quadrada de silício a cada doze meses. Aconteceu como um relógio. O tamanho diminuiu. A densidade aumentou.
Essa tendência nos deu o computador pessoal. O smartphone. O leitor de MP3. Sem esses pequenos interruptores, ainda estaríamos acionando interruptores mecânicos e contando com tubos de vácuo para realizar matemática básica. A tendência de redução continuou por décadas. Mas não acompanhou a previsão original de Moore. Hoje, o ciclo de duplicação leva cerca de 24 meses. É mais lento. Mas o resultado é o mesmo. Colocamos mais energia em espaços menores.
Então, quão pequeno pode ser um transistor? Em 1947, esse primeiro dispositivo tinha mais de um centésimo de metro de altura. Na década de 2010, a Intel produzia microprocessadores com transistores de apenas 45 nanômetros de largura. Um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro. A escala é difícil de compreender.
Limites físicos e chips futuros
Os fabricantes já estão trabalhando na próxima geração. Os chips estão migrando para transistores com apenas 32 nanômetros de largura. Mas alguns físicos e engenheiros estão soando o alarme. Podemos estar esbarrando em limites físicos fundamentais. Os efeitos quânticos começam a interferir quando as coisas ficam tão pequenas. Os elétrons atravessam barreiras que não deveriam. O calor se torna um pesadelo.
A história do transistor não envolve apenas engenharia. É sobre o nosso esforço incansável para tornar as coisas menores. Mais rápido. Mais eficiente. Batemos em uma parede. A parede é a lei física. Mas continuamos pressionando. Os próximos anos nos dirão se conseguiremos avançar ou se atingimos o fim da linha do silício.
Anatomia de um Transistor
Para entender por que os computadores estão batendo contra uma parede, primeiro você precisa entender o que é um transistor. Não é mágica. É uma mudança. E não qualquer interruptor. É um interruptor construído a partir de matéria que se comporta de forma estranha sob pressão.
A matéria geralmente se divide em três grupos.
Condutores permitem que a eletricidade flua livremente. Pense em cobre. Tem muitos elétrons livres prontos para se mover.
Isoladores bloqueiam o fluxo completamente. Vidro. Cerâmica. Os elétrons estão presos.
Depois, há os semicondutores. O silício fica no meio. Possui algum espaço eletrônico, mas não o suficiente para conduzir como um metal. É teimoso. Precisa de um empurrãozinho.
Esse empurrão é a chave. Ao ajustar as condições, os engenheiros forçam o silício a alternar entre condutor e isolante. Esse comportamento binário – ligado e desligado – é a base de toda a computação moderna. Mas fazer com que o silício se comporte requer um processo chamado doping.
Doping e o Substrato
Os engenheiros introduzem impurezas específicas no silício para alterar suas propriedades elétricas. Eles começam com um material base chamado substrato.
Em nosso exemplo, estamos olhando para um transistor tipo n. Isso significa que o substrato está carregado positivamente.
Para fazer isso funcionar, você precisa de três terminais específicos em cima desse substrato:
- Fonte
- Drenar
- Portão
O portão fica entre a fonte e o dreno. Ele atua como uma válvula unidirecional para tensão. Ele permite que a eletricidade penetre no silício, mas o design impede que ela volte para fora.
Como? A porta é separada do substrato por uma fina camada de óxido. Este isolador impede que os elétrons atravessem diretamente o terminal da porta.
Em um transistor tipo n, a fonte e o dreno são carregados negativamente. Quando você aplica uma tensão positiva à porta, algo físico acontece dentro do silício.
O Canal de Elétrons
Aplique tensão positiva ao portão.
Isso atrai os elétrons livres no substrato carregado positivamente. Eles se acumulam contra a camada de óxido sob o portão.
Isso cria um canal de elétrons.
Uma ponte de condutividade se forma entre a fonte e o dreno.
Se você então empurrar uma voltagem positiva para o dreno, os elétrons fluirão. Eles viajam da fonte, através do canal recém-formado, e saem para o ralo.
Remover a tensão do portão? A atração desaparece. Os elétrons se dispersam. O canal entra em colapso.
Paradas atuais.
É assim que um transistor atua como uma chave.
- Tensão no portão = Ligado
- Sem tensão no portão = Desligado
Os computadores leem esse estado binário como bits. Um. Zero. Um. Zero. Toda a sua vida digital é construída sobre bilhões desses minúsculos interruptores físicos que alternam entre si.
Variações do tipo P
Usamos um transistor tipo n para maior clareza. Mas transistores tipo p também existem.
Em uma configuração tipo p, você inverte as cobranças. O substrato é dopado com material carregado negativamente. Os terminais carregam uma carga positiva. A lógica permanece a mesma, mas a física dos portadores de carga muda.
A maioria dos chips modernos usa uma combinação de ambos os tipos, conhecida como tecnologia CMOS, para minimizar o consumo de energia. Mas antes de chegarmos à arquitetura, temos que encarar o hardware.
Transistores em nanoescala
O problema não é o conceito. O conceito funciona. O problema é o tamanho.
À medida que os transistores encolhem para caber mais em um chip, os efeitos quânticos começam a se infiltrar. Os elétrons atravessam barreiras que não deveriam ser capazes de cruzar. A camada de óxido fica tão fina que os elétrons vazam através dela mesmo quando a porta está desligada.
Esse vazamento mata a vida útil da bateria. Gera calor. E isso cria erros.
Temos miniaturizado transistores há décadas. Estamos ficando sem espaço para reduzi-los sem violar as leis da física.
O que acontece quando o switch em si deixa de ser confiável?
Por que o encolhimento do transistor está atingindo uma parede física
Os jornalistas adoram prever a morte da Lei de Moore. Todos os anos, alguém publica um artigo declarando que os transistores atingiram seu limite de tamanho. Então os engenheiros encontram uma solução alternativa. O transistor fica menor. A previsão está errada. Estamos em um ciclo de alarmes falsos, em parte porque os escritores ficaram tímidos em anunciar o fim do jogo.
Mas o fim do jogo é real. Não é uma questão de habilidade de engenharia. É uma questão de física.
Depois de atingir a nanoescala, você deixa para trás a física clássica. Você entra no mundo da mecânica quântica. Aqui, a matéria e a energia agem de acordo com regras que parecem contra-intuitivas. Você não pode nem observar um sistema quântico sem alterar seu comportamento.
Se os elétrons puderem passar por uma porta em qualquer circunstância, não haverá como controlar seu fluxo.
O maior problema é o tunelamento eletrônico. Pense nisso como teletransporte. Quando uma barreira material é extremamente fina – cerca de um nanômetro, ou a largura de dez átomos – os elétrons podem passar através dela. Eles não fazem buraco. Eles não perfuram. O elétron simplesmente desaparece de um lado e reaparece do outro.
As portas devem controlar o fluxo de elétrons. Se os elétrons passarem pelo portão, o controle será perdido. Você obtém transistores com vazamento. O processador se torna ineficaz. Pode até não funcionar.
Empresas como a Intel já estão trabalhando com transistores de cerca de 32 nanômetros de largura. A camada de óxido está ficando perigosamente fina. No passado, os engenheiros sempre encontraram uma maneira de contornar esses obstáculos. Eles acompanham a Lei de Moore. Mas desta vez, enfrentam uma lei fundamental da natureza.
Os engenheiros podem encontrar um isolante eficaz com um nanômetro. É possível. Mas mesmo assim, não há muito mais a fazer com os transistores tradicionais. Além da nanoescala está a escala atômica. Aqui, os materiais têm apenas alguns átomos de tamanho. Você fica sem material para trabalhar.
Isso não significa que os transistores desaparecerão. Isso significa que o crescimento exponencial no desenvolvimento de microprocessadores irá desacelerar. Ele irá se estabilizar. As melhorias no poder de processamento bruto não continuarão no mesmo ritmo vertiginoso.
Mas os fabricantes ainda encontrarão formas de melhorar a eficiência. O desempenho aumentará, mas não exponencialmente.
Existe outra possibilidade. Os fabricantes de microprocessadores estão procurando alternativas aos transistores tradicionais. Alguns já estão tentando aproveitar os efeitos quânticos em nanoescala. Eles estão transformando nanolimões em nanolimonada.
A Lei de Moore poderá durar apenas mais alguns anos. Mas se olharmos para trás, há décadas, os jornalistas fizeram a mesma afirmação. Os engenheiros provavelmente veem essas previsões como um desafio pessoal. Eles continuarão pressionando. Mas as leis da física são um muro difícil de quebrar.
Pacotes Pequenos
O Intel Atom é uma coleção de processadores pequenos, mas poderosos, projetados para funcionar em smartphones.
