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Um chip feito de nanotubos de carbono em vez de silício

Um chip feito de nanotubos de carbono em vez de silício. Neste artigo, veja como pesquisadores desenvolveram esse chip e alcançaram um marco.

Um chip feito de nanotubos de carbono em vez de silício
Um chip feito de nanotubos de carbono em vez de silício. Fonte: G. HILLS ET AL/NATURE 2019

O “Vale do Silício” pode em breve se tornar um termo impróprio. Dentro de um novo microprocessador, os transistores  —pequeninos interruptores eletrônicos que realizam cálculos coletivamente — são feitos com nanotubos de carbono em vez de silício. Assim, ao elaborar técnicas para superar os defeitos em escala nanométrica que frequentemente comprometem transistores de nanotubos individuais, pesquisadores criaram o primeiro chip de computador que usa milhares desses interruptores para rodar programas.

O protótipo

O protótipo, descrito na revista Nature, ainda não é tão rápido ou tão pequeno como dispositivos de silício. Mas chips de computador de nanotubos de carbono podem, em última instância, dar origem a uma nova geração de eletrônicos mais rápidos e eficientes energeticamente.

Qing Cao, cientista de materiais da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign não envolvido no trabalho, diz:

[Esse é] um marco importante no desenvolvimento dessa tecnologia.

O coração de cada transistor é um componente semicondutor, tradicionalmente feito de silício, que pode agir como um condutor ou um isolante elétrico. Os estados “ligado” e “desligado” de um transistor, onde corrente está fluindo pelo semicondutor ou não, codificam os 1s e 0s dos dados do computador. Ao construir transistores menores, Max Shulaker, engenheiro elétrico do MIT, diz:

Costumávamos ter ganhos exponenciais na computação todos os anos. Porém, os ganhos de performance começaram a estabilizar.

Transistores de silício não conseguem ficar menores e mais eficientes do que eles já são.

Pelo fato de nanotubos de carbono serem quase da espessura de átomos e transportarem eletricidade tão bem, eles fazem semicondutores melhores que o silício. A princípio, processadores de nanotubo de carbono poderiam rodar três vezes mais rápidos enquanto consumem cerca de um terço da energia de seus predecessores de silício, segundo Shulaker. Mas até agora, nanotubos de carbono provaram ser delicados demais para construir sistemas de computação complexos.

Desafios com nanotubos de carbono

A questão é, quando uma rede de nanotubos de carbono está depositada em uma pastilha de chip de computador, os tubos tendem a se agrupar em pedaços que impedem o transistor de funcionar. Shulaker diz:

[É] como tentar construir um pátio de tijolos com um grande pedregulho no meio dele.

O time dele resolveu esse problema ao espalhar nanotubos em um chip e usar vibrações para delicadamente sacudir pacotes indesejáveis para fora da camada de nanotubos.

Um chip feito de nanotubos de carbono em vez de silício
Um novo tipo de chip (matriz de chips na pastilha capturada acima) contém milhares de transistores feitos com nanotubos de carbono em vez de silício. Embora os protótipos atuais ainda não consigam competir com chips de silício em tamanho e velocidade, a computação baseada em nanotubos de carbono promete introduzir uma nova era de eletrônicos mais rápidos e eficientes energeticamente. Fonte: G. HILLS ET AL/NATURE 2019.

Outro problema que a equipe enfrentou é que cada lote de nanotubos de carbono semicondutores contém cerca de 0,01 por cento de nanotubos metálicos. Visto que nanotubos metálicos não conseguem passar de condutor para isolante apropriadamente, esses tubos confundem a leitura de um transistor.

Buscando contornar isso, Shulaker e seus colegas analisaram o quão seriamente nanotubos metálicos afetam diferentes configurações de transistores, que realizam diferentes tipos de operações em pedaços de dados. Os pesquisadores descobriram que nanotubos defeituosos afetaram o funcionamento de algumas configurações de transistores mais do que outras — similar ao jeito que uma letra faltando pode tornar algumas palavras ilegíveis, mas deixar outras legíveis. Assim, Shulaker e seus colegas projetaram cuidadosamente o circuito de seu microprocessador para evitar configurações de transistores que eram mais confundidas pelas falhas dos nanotubos metálicos.

Resultados interessantes

Michael Arnold, um cientista de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison não envolvido no trabalho, diz:

Umas das coisas que mais me impressionaram a respeito desse trabalho foi a esperteza do design daquele circuito.

Com mais de 14.000 transistores de nanotubos de carbono, o microprocessador resultante executou um programa simples para escrever a mensagem “Hello, world!” — o primeiro programa que muitos programadores de computador novatos aprendem a escrever.

O mais novo microprocessador de nanotubos de carbono forjado ainda não está pronto para destituir os chips de silício como a base da eletrônica moderna. Cada um tem mais ou menos micrômetros de diâmetro, comparado com os transistores atuais de silício que têm nanômetros de diâmetro.

Além disso, cada transistor de nanotubo de carbono nesse protótipo consegue mudar de ligado para desligado cerca de um milhão de vezes por segundo, ao passo que transistores de silício conseguem oscilar bilhões de vezes por segundo. Isso coloca esses transistores de nanotubos no mesmo nível de componentes de silício produzidos nos anos 80.

Reduzir transistores de nanotubo ajudaria a eletricidade a passar por eles com menos resistência, permitindo que os dispositivos mudem de estado (ligado e desligado) mais rapidamente, segundo Arnold. E alinhar os nanotubos em paralelo, em vez de usar uma malha orientada aleatoriamente, também poderia aumentar a corrente elétrica pelos transistores para aumentar a velocidade de processamento.

Afinal, você gostou de conhecer esse protótipo que pode revolucionar a eletrônica moderna?

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Fonte: Science News

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Escrito por Leonardo Santana

Astrônomo amador e eletrotécnico. Apaixonado por TI desde o século passado.

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