Os chips de computador de automontagem do futuro

Os transistores que alimentam o telefone no seu bolso são inimaginavelmente pequenos: você pode colocar mais de 3 mil deles na largura de um fio de cabelo humano. Mas para acompanhar as inovações em campos como reconhecimento facial e realidade aumentada, precisamos incluir ainda mais poder de computação em nossos chips de computador, e estamos ficando sem espaço. Nesta palestra inovadora, o desenvolvedor de tecnologia Karl Skjonnemand introduz uma maneira radicalmente nova de criar chips. "Este poderia ser o alvorecer de uma nova era de fabricação molecular", diz Skjonnemand.

Os computadores costumavam
ser do tamanho de uma sala.

Mas agora cabem em nosso bolso,

em nosso pulso

e podem até mesmo ser
implantados dentro do nosso corpo.

Isso é muito legal, não é?

Isso foi possível
pela miniaturização de transistores,

que são os pequenos
interruptores nos circuitos

no coração dos nossos computadores.

E isso foi alcançado através
de décadas de desenvolvimento

e avanços na ciência e engenharia

e de bilhões de dólares em investimento.

Mas nos deu grandes
quantidades de capacidade,

enormes quantidades de memória

e a revolução digital que todos nós
conhecemos e desfrutamos hoje.

Mas a má notícia é

que estamos prestes a atingir
um obstáculo digital,

conforme a taxa de miniaturização
de transistores está diminuindo.

E isso está acontecendo
exatamente ao mesmo tempo

em que a nossa inovação em software
continua incansavelmente

com inteligência artificial
e grande volume de dados.

Os dispositivos realizam reconhecimento
facial, aumentam a nossa realidade

ou até mesmo dirigem carros pelas
nossas estradas perigosas e caóticas.

É incrível.

Mas se não acompanharmos
o apetite do nosso software,

podemos chegar a um ponto
no desenvolvimento da nossa tecnologia

em que as coisas que faríamos com o
software poderiam, de fato, ser limitadas

pelo nosso hardware.

Todos já experimentamos a frustração
de um smartphone ou tablet antigo

morrendo lentamente
até parar ao longo do tempo

sob o peso cada vez maior de atualizações
de software e novos recursos.

E eles funcionavam muito bem
há pouco tempo quando os compramos.

Mas os engenheiros de software esfomeados
consumiram toda a capacidade de hardware

ao longo do tempo.

A indústria de semicondutores
está muito ciente disso

e está trabalhando em todo tipo
de soluções criativas,

como ir além dos transistores
para a computação quântica

ou mesmo trabalhando com transistores
em arquiteturas alternativas,

como redes neurais,

para fazer circuitos
mais robustos e eficientes.

Mas essas abordagens levarão algum tempo

e estamos procurando uma solução
muito mais imediata para esse problema.

A taxa de miniaturização
de transistores está diminuindo

devido à complexidade cada vez maior
do processo de fabricação.

O transistor costumava ser
um dispositivo grande e volumoso,

até a invenção do circuito integrado

baseado em pastilhas
de silício cristalino puro.

E depois de 50 anos
de desenvolvimento contínuo,

podemos alcançar dimensões
de recursos de transistores

de até 10 nanômetros.

Podemos encaixar mais
de um bilhão de transistores

em um único milímetro quadrado de silício.

E para colocar isso em perspectiva:

um fio de cabelo humano
tem 100 mícrons de espessura.

Um glóbulo vermelho,
que é essencialmente invisível,

tem oito mícrons de diâmetro

e podemos colocar 12 na espessura
de um fio de cabelo humano.

Mas um transistor,
em comparação, é muito menor,

com uma pequena fração
de um mícron de diâmetro.

Podemos colocar mais de 260 transistores

através de um único glóbulo vermelho

ou mais de 3 mil na espessura
de um fio de cabelo humano.

É realmente incrível a nanotecnologia
no nosso bolso nesse momento.

E além do benefício óbvio

de poder colocar mais transistores
menores em um chip,

transistores menores são
interruptores mais rápidos

e também mais eficientes.

Então essa combinação nos deu

o menor custo, maior desempenho
e maior eficiência eletrônica

que todos nós desfrutamos hoje.

Para fabricar estes circuitos integrados,

os transistores são construídos
camada por camada,

numa pastilha de silício cristalino puro.

E em um sentido simplista,

cada minúsculo recurso
do circuito é projetado

sobre a superfície da pastilha de silício,

gravado em material sensível à luz

e, em seguida, gravado através
do material sensível à luz,

para deixar o padrão
nas camadas subjacentes.

E este processo foi drasticamente
melhorado ao longo dos anos

para proporcionar o desempenho
eletrônico que temos hoje.

Mas conforme os recursos do transistor
ficam cada vez menores,

nos aproximamos das limitações físicas

desta técnica de fabricação.

Os sistemas mais recentes
para fazer esse padrão

tornaram-se tão complexos

que custariam mais
de US$ 100 milhões cada.

E as fábricas de semicondutores
contêm dezenas dessas máquinas.

Então as pessoas estão questionando:
esta abordagem é viável a longo prazo?

Mas acreditamos que podemos
fabricar os chips

de uma maneira totalmente diferente
e muito mais econômica

usando engenharia molecular
e imitando a natureza

nas dimensões nanoscópicas
de nossos transistores.

Como eu disse, a manufatura convencional
usa todos os recursos do circuito

e projeta-o no silício.

Mas se observarmos a estrutura
de um circuito integrado,

as matrizes dos transistores,

muitas das funcionalidades
são repetidas milhões de vezes.

É uma estrutura altamente periódica.

Então, queremos aproveitar
essa periodicidade

em nossa técnica
de fabricação alternativa.

Queremos usar materiais de automontagem

para formar naturalmente
as estruturas periódicas

que precisamos para nossos transistores.

Fazemos isso com os materiais,

que, então, fazem o trabalho duro
da padronização fina,

ao invés de empurrar a tecnologia
de projeção para seus limites e além.

A automontagem é vista na natureza
em muitos lugares diferentes,

de membranas lipídicas
a estruturas celulares,

então sabemos que pode ser
uma solução robusta.

Se é bom o suficiente para a natureza,
deve ser bom o suficiente para nós.

Então, queremos pegar
essa automontagem robusta e natural

e usá-la para a fabricação
de nossa tecnologia de semicondutores.

Um tipo de material de automontagem,

chamado de copolímero em bloco,

consiste em duas cadeias poliméricas com
umas dezenas de nanômetros de comprimento.

Mas essas cadeias se odeiam.

Elas se repelem,

muito parecido com óleo e água
ou meu filho e minha filha adolescentes.

(Risos)

Mas nós cruelmente os unimos,

criando uma frustração inerente no sistema

conforme eles tentam
se separar um do outro.

No material a granel, há bilhões deles,

os componentes similares
tentam ficar juntos

e os componentes opostos tentam
se separar um do outro, ao mesmo tempo.

E isso tem uma frustração embutida,
uma tensão no sistema.

Ele se move, se contorce
até que surge uma forma.

E a forma natural de automontagem
que surge é em nanoescala,

é regular, periódica e de longo alcance,

que é exatamente o que precisamos
para nossas matrizes de transistores.

Então podemos usar engenharia molecular

para projetar diferentes formas
de diferentes tamanhos

e diferentes periodicidades.

Por exemplo, se pegarmos
uma molécula simétrica,

em que as duas cadeias poliméricas
são de comprimento semelhante,

a estrutura automontada
natural que é formada

é uma linha longa e sinuosa

parecida com uma impressão digital.

A largura das linhas da impressão digital

e a distância entre elas

é determinada pelo comprimento
de nossas cadeias poliméricas,

mas também pelo nível
de frustração embutida no sistema.

E podemos até criar
estruturas mais elaboradas

se usarmos moléculas assimétricas,

nas quais uma cadeia polimérica é
significativamente mais curta que a outra.

E a estrutura automontada
que se forma neste caso

está com as cadeias mais curtas
formando uma bola apertada no meio,

e é cercada por cadeias poliméricas
mais longas e opostas,

formando um cilindro natural.

O tamanho deste cilindro

e a distância entre os cilindros,

a periodicidade,

é determinado por quanto tempo
fazemos as cadeias poliméricas

e o nível de frustração embutida.

Então, em outras palavras,
estamos usando engenharia molecular

para automontar estruturas em nanoescala

que podem ser linhas ou cilindros do
tamanho e periodicidade do nosso projeto.

Usamos química, engenharia química,

para fabricar os recursos em nanoescala
que precisamos para nossos transistores.

Mas a capacidade
de automontar essas estruturas

só nos leva até a metade do caminho,

porque ainda precisamos
posicionar essas estruturas

onde queremos os transistores
no circuito integrado.

Mas podemos fazer isso
com relativa facilidade

usando estruturas de guia largas

que fixam as estruturas automontadas,

ancorando-as no lugar

e forçando o resto
das estruturas automontadas

a ficarem em paralelo,

alinhado-as com a nossa estrutura de guia.

Por exemplo, se quisermos fazer
uma linha fina de 40 nanômetros,

que é muito difícil de fabricar
com tecnologia de projeção convencional,

podemos fabricar uma estrutura
de guia de 120 nanômetros

com tecnologia de projeção normal,

e essa estrutura alinhará três
das linhas de 40 nanômetros entre elas.

Então os materiais estão fazendo
o padrão fino mais difícil.

Chamamos toda essa abordagem
de "automontagem dirigida".

O desafio da automontagem dirigida

é que todo o sistema precisa
se alinhar quase perfeitamente,

porque qualquer defeitozinho na estrutura
pode causar uma falha no transistor.

E porque há bilhões
de transistores em nosso circuito,

precisamos de um sistema
quase molecularmente perfeito.

Mas estamos tomando medidas
extraordinárias para alcançar isto,

da limpeza de nossa química

ao processamento cuidadoso dos materiais

na fábrica de semicondutores

para eliminar até mesmo
os menores defeitos nanoscópicos.

A automontagem dirigida
é uma nova tecnologia inovadora,

mas ainda está em fase de desenvolvimento.

Estamos crescendo na confiança
de que podemos, de fato, introduzi-la

na indústria de semicondutores

como um novo processo
de fabricação revolucionário

nos próximos anos.

E se pudermos fazer isso,
se formos bem-sucedidos,

nós poderemos continuar

com a miniaturização
econômica de transistores,

continuar com a espetacular
expansão da computação

e da revolução digital.

E mais, isso poderia ser
o alvorecer de uma nova era

de fabricação molecular.

Isso é muito legal, não é?

Obrigado.

(Aplausos)