Os chips de computador de montagem automática do futuro

Os transístores que alimentam o telefone no vosso bolso são inimaginavelmente pequenos: vocês podem colocar mais de 3000 na largura de um cabelo humano. Mas, para acompanhar as inovações em áreas como o reconhecimento facial e a realidade aumentada, precisamos de aumentar o poder de computação dos "chips" dos computadores — e estamos a ficar sem espaço. Nesta palestra visionária do futuro, o desenvolvedor de tecnologia Karl Skjonnemand apresenta uma maneira radicalmente nova de criar "chips". "Isto pode ser o início de uma nova era do fabrico molecular", diz Skjonnemand.

Os computadores costumavam
ser do tamanho de uma sala.

Mas agora cabem no nosso bolso,

no nosso pulso

e até podem ser implantados
dentro do nosso corpo.

Não é fantástico?

E isso é possível, graças
à miniaturização dos transístores,

que são os pequenos interruptores
nos circuitos

no coração dos nossos computadores.

Conseguimos isso graças
a décadas de desenvolvimento

e de avanços na ciência e na engenharia

e a milhares de milhões
de dólares em investimento.

Isso deu-nos
grandes quantidades de computação,

grande quantidade de memória

e a revolução digital que todos
experimentamos e apreciamos hoje.

Mas o problema

é que estamos prestes a atingir
um obstáculo digital,

porque o ritmo de miniaturização
dos transístores

está a diminuir de velocidade.

Isso está a acontecer
exatamente na mesma altura

em que a inovação em "software"
continua incansavelmente

com a inteligência artificial
e os grandes volumes de dados.

Os nossos dispositivos
executam regularmente

o reconhecimento facial,
aumentam a nossa realidade

ou até mesmo dirigem carros
nas estradas traiçoeiras 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 podíamos fazer
com o "software"

podem ficar limitadas pelo "hardware".

Todos nós já experimentámos a frustração
de um "smartphone" ou "tablet" antigos

a funcionar lentamente
até parar por completo

sob o peso crescente das atualizações
do "software" e de novos recursos.

Funcionavam muito bem
quando os comprámos, há pouco tempo.

Mas os famintos engenheiros de "software"

consumiram toda
a capacidade do "hardware"

ao longo do tempo.

A indústria de semicondutores
está plenamente consciente disso

e está a trabalhar em
todo o tipo de soluções criativas,

como passar dos transístores
para a computação quântica

ou mesmo trabalhar com transístores
com arquiteturas alternativas

como redes neurais

para tornar os circuitos
mais robustos e eficientes.

Mas essas abordagens
vão demorar um pouco

e estamos a procurar uma solução
muito mais imediata para este problema.

A razão por que o ritmo da miniaturização
dos transístores está a diminuir

é a crescente complexidade
do processo de fabrico.

O transístor costumava ser
um dispositivo grande e volumoso,

até à invenção do circuito integrado

à base de bolachas
de silício cristalino puro.

Ao fim de 50 anos
de desenvolvimento contínuo,

agora podemos fabricar transístores

com uma dimensão até 10 nanómetros.

Podemos encaixar mais
de mil milhões de transístores

num só milímetro quadrado de silício.

Para colocar isto em perspetiva,

um cabelo humano tem
100 mícrones de diâmetro.

Um glóbulo vermelho,
que é praticamente invisível,

tem oito mícrones de diâmetro,

e podemos colocar 12 alinhados
na largura de um cabelo humano.

Mas um transístor,
em comparação, é muito menor,

com uma pequena fração
de um mícron de largura.

Podemos colocar mais de 260 transístores

no diâmetro de um só glóbulo vermelho

ou seja, mais de 3000
na largura de um cabelo humano.

É uma nanotecnologia espantosa
no nosso bolso.

Para além do benefício óbvio

de poder colocar mais transístores
mais pequenos num "chip",

os transístores mais pequenos
são interruptores mais rápidos,

e os transístores mais pequenos
também são interruptores mais eficientes.

Essa combinação tem-nos dado

menor custo, maior desempenho
e uma eletrónica de maior eficiência

de que todos desfrutamos hoje.

Para fabricar esses circuitos integrados,

os transístores são montados
camada a camada,

numa bolacha de silício cristalino puro.

Para dizê-lo de forma simples,

cada pequena característica
do circuito é projetada

na superfície da bolacha de silicone

e gravada numa camada
de material sensível à luz

e depois gravada através
do material sensível à luz

para deixar o padrão
nas camadas subjacentes.

Este processo tem melhorado
drasticamente ao longo dos anos

para dar à eletrónica
o desempenho que temos hoje.

Mas à medida que as características
do transístor diminuem,

estamos a aproximar-nos
das limitações físicas

desta técnica de fabrico.

Os sistemas mais recentes
para realizar esse padrão

tornaram-se tão complexos

que custam mais de 100 milhões
de dólares cada.

E as fábricas de semicondutores
possuem dezenas dessas máquinas.

Então, as pessoas estão a questionar
se esta abordagem é viável a longo prazo.

Acreditamos que podemos
fabricar os "chips"

de uma forma totalmente diferente
e muito mais económica,

usando a engenharia molecular
e imitando a natureza

à dimensão em nanoescala
dos nossos transístores.

Como eu disse, o fabrico convencional

agarra em todas as pequenas
características do circuito

e projeta-as no silício.

Mas se olharmos para a estrutura
de um circuito integrado,

para as matrizes do transístor,

muitas das características
repetem-se milhões de vezes.

É uma estrutura altamente periódica.

Então, queremos tirar partido
dessa periodicidade

na nossa técnica alternativa de fabrico.

Queremos usar materiais
de montagem automática

para formar naturalmente
as estruturas periódicas

de que precisamos para os transístores.

Fazemos isso com os materiais,

e depois os materiais fazem
o trabalho difícil do padrão fino,

em vez de empurrarem a tecnologia
de projeção para além do seu limite.

Vemos a automontagem na Natureza
em muitos lugares diferentes,

nas membranas lipídicas
nas estruturas celulares,

por isso sabemos que
pode ser uma solução robusta.

Se é bom para a Natureza,
deve ser bom para nós.

Queremos aproveitar esta automontagem
robusta que ocorre naturalmente

e usá-la para o fabrico
da nossa tecnologia de semicondutores.

Um tipo de material
de montagem automática

— chama-se copolímero em bloco —

consiste em duas cadeias de polímeros

só com umas dezenas
de nanómetros de comprimento.

Mas essas cadeias odeiam-se.

Repelem-se, como o óleo e a água

ou o meu filho
e a minha filha adolescentes.

(Risos)

Mas nós unimo-las cruelmente,

criando uma frustração
intrínseca no sistema,

enquanto tentam separar-se.

Nesta matéria prima,
há milhares de milhões destas cadeias,

e as cadeias semelhantes
tentam manter-se juntas

e as cadeias opostas
tentam separar-se umas das outras

tudo ao mesmo tempo.

Isso provoca uma frustração interna,
uma tensão no sistema.

Elas deslocam-se, retorcem-se
até se criar uma forma.

Essa forma automontada natural
que se forma à nanoescala,

é regular, é periódica,
e a longo prazo,

o que é exatamente
aquilo de que precisamos

para as matrizes do transístor.

Assim, podemos usar
a engenharia molecular

para projetar formas diversas
de tamanhos diferentes

e de diferentes periodicidades.

Por exemplo, se tomarmos
uma molécula simétrica,

em que as duas cadeias de polímeros
têm o mesmo comprimento,

a estrutura automontada
que se forma naturalmente

é uma linha longa e sinuosa,

muito parecida
com uma impressão digital.

E a largura das linhas
dessa impressão digital

e a distância entre elas

são determinadas pelo comprimento
das cadeias de polímeros

mas também pelo nível
da frustração interna do sistema.

Até podemos criar
estruturas mais elaboradas

se usarmos moléculas assimétricas,

em que uma cadeia de polímeros

é significativamente
mais curta que a outra.

A estrutura automontada
que se forma neste caso

constitui uma bola apertada
com as correntes curtas no meio,

cercada pelas cadeias de polímeros
opostas, mais compridas,

formando um cilindro natural.

O tamanho deste cilindro

e a distância entre
os cilindros, a periodicidade,

são de novo determinados pelo comprimento
que damos às cadeias de polímeros

e pelo nível de frustração interna.

Por outras palavras, estamos a usar
a engenharia molecular

para automontar estruturas à nanoescala

que podem ser linhas ou cilindros

com o tamanho e a periodicidade
do nosso "design".

Estamos a usar a química,
a engenharia química,

para fabricar as características
necessárias para os transístores.

Mas a capacidade
de automontar essas estruturas

só nos leva a meio do caminho,

porque ainda precisamos
de posicionar essas estruturas

onde queremos os transístores
no circuito integrado.

Mas podemos fazer isso
com relativa facilidade

usando largas estruturas guias
que fixam as estruturas automontadas,

prendendo-as no seu lugar

e forçando o resto
das estruturas automontadas

a manterem-se em paralelo,

alinhadas com a nossa estrutura guia.

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

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

podemos fabricar
uma estrutura guia de 120 nanómetros

com a tecnologia de projeção normal,

e essa estrutura alinhará três
das linhas de 40 nanómetros no meio.

Então, são os materiais que fazem
o trabalho mais difícil.

Chamamos a toda esta abordagem
"automontagem dirigida".

O problema da automontagem dirigida

é que todo o sistema
precisa de alinhar quase perfeitamente,

porque qualquer pequeno defeito
na estrutura

pode causar a falha do transístor.

E como há milhares de milhões
de transístores no nosso circuito,

precisamos de um sistema
quase molecularmente perfeito.

Mas estamos a fazer
esforços extraordinários

para conseguir isso,

seja a limpeza da nossa química

seja o processamento cuidadoso
destes materiais

na fábrica de semicondutores

para remover os mais pequenos
defeitos nanoscópicos.

A automontagem dirigida é uma tecnologia
revolucionária, promissora,

mas ainda está na fase de desenvolvimento.

Mas cada vez temos mais confiança
de que podemos apresentá-la

à indústria de semicondutores

como um novo processo
revolucionário de fabrico

nos próximos anos.

Se pudermos fazer isso,
se tivermos sucesso,

poderemos continuar

com a miniaturização de transístores,
económica e eficiente,

continuar com a expansão
espetacular da computação

e a revolução digital.

Além do mais, isso até pode ser
o alvorecer de uma nova era

de fabrico molecular.

Não é fantástico?

Obrigado.

(Aplausos)