Dentro de um novo microprocessador, os transistores – pequenos interruptores eletrônicos que coletivamente executam cálculos – são feitos com nanotubos de carbono, em vez de silício. Ao desenvolver técnicas para superar os defeitos em nanoescala que freqüentemente prejudicam os transistores individuais de nanotubos, os pesquisadores criaram o primeiro chip de computador que usa milhares desses comutadores para executar programas.
O protótipo, descrito na Nature de 29 de agosto, ainda não é tão rápido nem tão pequeno quanto os dispositivos de silício comerciais. Porém, os chips de computador com nanotubos de carbono podem dar origem a uma nova geração de eletrônicos mais rápidos e com maior eficiência energética.
Este é “um marco muito importante no desenvolvimento dessa tecnologia”, diz Qing Cao, cientista de materiais da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign que não está envolvido no trabalho.
O coração de todo transistor é um componente semicondutor, tradicionalmente feito de silício, que pode atuar como um condutor elétrico ou um isolador. Os estados “ligado” e “desligado” de um transistor, onde a corrente está fluindo através do semicondutor ou não, codificam os 1s e 0s dos dados do computador. Ao criar transistores de silício mais “magros” e médios, “costumávamos obter ganhos exponenciais na computação todos os anos”, diz Max Shulaker, engenheiro elétrico do MIT. Mas “agora os ganhos de desempenho começaram a se estabilizar”, diz ele. Os transistores de silício não podem ficar muito menores e mais eficientes do que já são.
Como os nanotubos de carbono são quase tão finos quanto um átomo e transportam eletricidade tão bem, eles produzem melhores semicondutores que o silício. Em princípio, os processadores de nanotubos de carbono podem funcionar três vezes mais rápido enquanto consomem cerca de um terço da energia de seus antecessores de silício, diz Shulaker. Mas até agora, os nanotubos de carbono se mostraram muito exigentes para construir sistemas de computação complexos.
Uma questão é que, quando uma rede de nanotubos de carbono é depositada em um chip de computador, os tubos tendem a se agrupar em pedaços que impedem o funcionamento do transistor. É “como tentar construir um pátio de tijolos, com uma pedra gigante no meio”, diz Shulaker. Sua equipe resolveu esse problema espalhando nanotubos em um chip e depois usando vibrações para sacudir suavemente feixes indesejados da camada de nanotubos.
Outro problema que a equipe enfrentou é que cada lote de nanotubos de carbono semicondutores contém cerca de 0,01% de nanotubos metálicos. Como os nanotubos metálicos não conseguem virar adequadamente entre condutor e isolante, esses tubos podem atrapalhar a leitura de um transistor.
Em busca de uma solução alternativa, Shulaker e colegas analisaram como os nanotubos metálicos afetavam diferentes configurações de transistor, que executam diferentes tipos de operações em bits de dados. Os pesquisadores descobriram que os nanotubos defeituosos afetavam a função de algumas configurações de transistor mais do que outros – semelhante à maneira como uma letra ausente pode tornar algumas palavras ilegíveis, mas deixa outras legíveis. Então Shulaker e colegas projetaram cuidadosamente o circuito de seu microprocessador para evitar configurações de transistor que eram mais confusas por falhas de nanotubos metálicos.
“Uma das maiores coisas que me impressionou neste artigo foi a inteligência desse projeto de circuito”, diz Michael Arnold, cientista de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison, que não está envolvido no trabalho.
Com mais de 14.000 transistores de nanotubos de carbono, o microprocessador resultante executou um programa simples para escrever a mensagem “Olá, mundo!” – o primeiro programa que muitos programadores de computador novatos aprendem a escrever.
O microprocessador de nanotubo de carbono recém-cunhado ainda não está pronto para remover os chips de silício como a base da eletrônica moderna. Cada um tem cerca de um micrômetro de diâmetro, comparado com os transistores de silício atuais com dezenas de nanômetros de diâmetro. E cada transistor de nanotubo de carbono neste protótipo pode ligar e desligar cerca de um milhão de vezes por segundo, enquanto os transistores de silício podem piscar bilhões de vezes por segundo. Isso coloca esses transistores de nanotubos em pé de igualdade com os componentes de silício produzidos na década de 1980.
Diminuir os transistores de nanotubos ajudaria a eletricidade a atravessá-los com menos resistência, permitindo que os dispositivos ligassem e desligassem mais rapidamente, diz Arnold. E alinhar os nanotubos em paralelo, em vez de usar uma malha orientada aleatoriamente, também poderia aumentar a corrente elétrica através dos transistores para aumentar a velocidade de processamento.
Publicado em 28/12/2019
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