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B. Piropo
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07/03/2005
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A razão do limite
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OBS: Meu compromisso com o FórumPCs foi publicar uma coluna por semana. Esse compromisso vinha sendo cumprido religiosamente até o final de fevereiro. No início de março, em virtude de uma viagem aos EUA justamente para participar de um evento da Intel que, entre outros assuntos, discutiu a tecnologia de fabricação de microprocessadores, e do acúmulo de afazeres que se seguiu ao meu retorno, fui obrigado a atrasar a publicação. Esta coluna corresponde, então, à edição de 07/03 e está sendo publicada com quase uma semana de atraso. No entanto pretendo reduzir paulatinamente o período entre colunas até ficar em dia com meu compromisso de uma coluna semanal. Pode demorar um pouco, é verdade, mas prometo que chegaremos lá. E obrigado pela compreensão.

Até aqui, nesta série de colunas, vimos que a capacidade de processamento dos microprocessadores vem sendo aumentada ao longo do tempo graças ao incremento de sua freqüência de operação. O que, por sua vez, exige a fabricação de transistores em camadas de silício cada vez menos espessas. Depois, comparamos a ordem de grandeza   dos componentes dos circuitos integrados com objetos conhecidos, discutimos a tecnologia de fabricação de transistores e sua função nos circuitos eletrônicos. Hoje vamos ver as razões pelas quais essa tecnologia está prestes a chegar a seu limite.

Segundo o trabalho " Limits to Binary Logic Switch Scaling--A Gedanken Model," publicado por quatro pesquisadores da Intel no Proceedings of the IEEE em novembro de 2003, o recurso de aumentar a freqüência de operação reduzindo a espessura da camada de silício tem seus dias contados, o que obrigará a busca de uma tecnologia alternativa para a fabricação de circuitos integrados, inclusive microprocessadores. E, embora especulações sobre esse assunto sejam relativamente comuns entre os especialistas, essa foi a primeira vez que uma equipe da própria Intel admitiu a existência de tais limitações.

Que este limite chegaria um dia, é sabido. Afinal, a espessura da camada de silício não poderia continuar diminuindo indefinidamente. Se reduzirmos o problema à sua expressão mais simples, fica evidente que uma camada de silício não pode ser mais “fina” que o diâmetro de uma molécula de silício, portanto não há como negar que um limite forçosamente existirá. O problema consiste em saber qual será ele e, sobretudo, quando ocorrerá.

figura 1

O gráfico exibido na Figura 1 é absolutamente atual. Ele faz parte da documentação técnica apresentada pela própria Intel há uma semana no seu Intel Developer’s Forum, em San Francisco, EUA (o IDF Spring 2005, realizado de 01 a 03/03) e mostra a evolução da Lei de Moore nos últimos quarenta anos. O eixo horizontal corresponde aos tempo e sua origem é 1970 (o i4004, primeiro microprocessador da Intel, foi fabricado em novembro de 1971). O eixo vertical corresponde ao número de transistores de cada um dos microprocessadores mostrados nos quadrados azuis. A linha vermelha é uma “linha de tendência” e mostra onde se situariam os microprocessadores caso o número de transistores tivesse dobrado a cada dois anos desde 1970. A linha azul mostra a evolução real, unindo os pontos correspondentes aos diversos microprocessadores. Seu primeiro trecho, de 1970 até pouco depois de 1990, mostra que o número de transistores praticamente dobrou a cada dois anos (neste trecho a linha azul é quase coincidente com a vermelha). Depois, a partir do final da década de noventa, ela sofre uma inflexão para cima, mostrando que o número de transistores tem dobrado a cada ano e breve ultrapassará a casa do bilhão: o Itanium de núcleo duplo (“dual core”) a ser lançado ainda este ano atingirá à impressionante marca de 1,7 bilhão de transistores em um único circuito integrado. Em suma: até agora a Lei de Moore vai muito bem, obrigado.

E, pelo menos no que diz respeito à Intel, ela se estenderá comprovadamente pelo menos por mais cinco anos. O que se pode perceber examinando a Figura 2 (semelhante à figura 3 da coluna anterior, “Transistor, a dimensão”, porém bastante mais recente já que foi obtida no material técnico distribuído pela Intel no IDF Spring 2005) com imagens obtidas por microscopia eletrônica de transistores já efetivamente fabricados. O primeiro deles, no canto superior esquerdo da figura, corresponde à tecnologia atual: camada de silício de 90 nm e porta de 50 nm. O seguinte é ainda um protótipo, mas por pouco tempo: nos próximos meses serão fabricados transistores com camada de silício de 65 nm e porta de 30 nm. Os demais, também protótipos, estão previstos para entrar em fabricação em 2007 (camada de silício de 45 nm e porta de 20 nm), 2009 (camada de silício de 32 nm e porta de 15 nm) e 2011 (camada de silício de 22 nm e porta de 10 nm). Repito: essas imagens são reais, obtidas de transistores fabricados na condição de protótipo. E a Intel pretende estender essa tecnologia um pouco além: seus técnicos prevêem que entre 2018 e 2021 ela estará fabricando transistores com camada de silício de 16nm. Mas daí em diante a coisa pega...

figura 2

E pega porque, de acordo com dados da própria Intel (veja a tendência mostrada no gráfico da Figura 4 da coluna anterior), quando isso ocorrer a largura da porta será da ordem de 5 nm.

Como vimos nas colunas anteriores, nos circuitos digitais os transistores são usados como chaveadores de corrente. Aplicando-se uma tensão à porta, o trecho da camada de silício entre fonte e dreno torna-se condutor, permitindo que uma corrente flua entre fonte e dreno. Eliminando-se a tensão, o trecho da camada de silício entre fonte e dreno volta a ser isolante e a corrente é interrompida.

Acontece que não existe isolante perfeito. E o silício usado no processo de fabricação dos transistores não seria exceção.

Quanto menor a largura da porta, mais próximas ficarão as regiões da fonte e dreno do transistor (veja os diagramas esquemáticos da coluna anterior e repare como as áreas escuras que correspondem à fonte e dreno quase se tocam no protótipo de transistor de porta de 10 nm mostrado no canto inferior direito da Figura 2 acima). Os técnicos afirmam que quando a largura da porta chegar a 5 nm, fonte e dreno ficarão separadas por um trecho de silício tão pequeno que não conseguirá isolar completamente a fonte do dreno, havendo uma probabilidade de 50% que a corrente flua mesmo quando não houver tensão aplicada à porta (este fenômeno denomina-se “ tunneling”). Quando isso ocorre o transistor deixa de ser confiável como dispositivo de processamento de dados.

Estimativas otimistas consideram que se pode chegar até portas de 4nm e obter transistores ainda confiáveis, mas dificilmente se poderá chegar a menos do que isso. O que significa que, levando-se em conta a limitação imposta pela largura mínima da porta, a tecnologia atual de fabricação de transistores dificilmente sobreviverá mais do que quinze anos.

Mas esse não é o único problema. Há um outro tão ou mais grave: a  dissipação de energia.

Pois ocorre que quanto menores são os transistores em um circuito integrado, maior sua “densidade”, ou seu número por unidade de área. O acúmulo de um número muito grande de transistores (da ordem de bilhões) em uma área pequena concentra tremendamente a produção de calor devido à dissipação de energia pela corrente elétrica que circula nos transistores. Se essa energia não for rapidamente removida do circuito e transferida para o ambiente, o chip atingirá temperaturas tão elevadas que, literalmente, derreterá.

Qualquer um que tenha acompanhado a evolução das placas-mãe nos últimos 25 anos lembrará que, do 8086 que equipava o primeiro PC lançado em 1981 pela IBM até o 386 fabricado no final dos anos 80, o chip repousava soberano sobre seu soquete e temos conversado. Foi somente a partir dos 486 que se começou a equipar o microprocessador primeiro com um simples dissipador de calor passivo (uma peça, geralmente de alumínio, dotada de aletas para aumentar a superfície de contato com a atmosfera e facilitar a transferência de calor) e depois com uma ventoinha para acelerar ainda mais essa transferência. E, hoje, chegamos ao ponto em que um dos componentes mais importantes de uma máquina equipada com um processador de última geração é o dissipador de calor montado sobre a CPU.

Em resumo: o número de transistores que pode ser concentrado em uma pequena área depende não só da tecnologia de fabricação como também da capacidade do sistema de remover o calor do chip, dissipando-o na atmosfera. E esse número tem um limite.

Segundo Paolo Gargine, Diretor de Tecnologia da Intel, mesmo que se conseguisse desenvolver uma tecnologia capaz de contornar o limite da largura da porta resolvendo o problema do “ tunelling” e se fabricasse um microprocessador com transistores com porta de 3 nm, não haveria como remover dele o calor com a mesma rapidez com que seria produzido. O chip se auto-destruiria.

Em resumo: seja devido à limitação imposta pelo fenômeno de “ tunneling”, que limita a largura da porta dos transistores, seja em virtude dos problemas relativos à dissipação de calor, a tecnologia atual de fabricação de microprocessadores está próxima do fim. Cedo ou tarde – e em não mais que quinze ou vinte anos – outras opções terão que ser desenvolvidas.

Essas tecnologias alternativas serão o assunto das próximas colunas.

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