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B. Piropo
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Volte de onde veio
14/03/2005
< Lei de Moore: até quando? – VI >
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Malhas moleculares
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Que a tecnologia de fabricação de microprocessadores usada atualmente está com seus dias contados, já sabemos. Agora vamos começar a discutir o que poderá ocupar seu lugar, tendo em mente que, considerando a atual dimensão dos transistores, seja lá o que for certamente estará no domínio da nanotecnologia.

Mas o que é “nanotecnologia”? Bem, considerando que o prefixo “nano” significa “bilionésimo”, não é difícil concluir que se trata de uma ramo da tecnologia que lida com coisas muito, muito pequenas. E, de fato, assim é. Por definição, n anotecnologia é o ramo da ciência que lida com dispositivos cujo tamanho é menor que 100 nm (para ter uma idéia do que isso significa, leia a coluna “O rápido e o pequeno”, a segunda desta série).

Uma das empresas que se dedica a pesquisar um meio de substituir a atual tecnologia de fabricação de circuitos integrados é a HP. Para isso ela criou um grupo voltado exclusivamente a “explorar os limites do fisicamente possível, enfocando a fabricação de estruturas na escala nanométrica visando medir e compreender suas propriedades”. Este grupo chama-se Quantum Science Research (QSR), em < www.hpl.hp.com/research/qsr/ >.

A tecnologia que o QSR vem tentando desenvolver para fabricar microprocessadores utiliza as chamadas malhas moleculares (“molecular grid” ou   “c rossbar latch”). Sobre sua implementação em escala industrial Stan Williams, o responsável pelas pesquisas do QSR declarou, em artigo de John Spooner, “ A new era of molecular circuit chips” publicado em 22/10/2002 em News.Com,
< http://news.com.com/A+new+era+of+molecular+circuit+chips/2008-1082_3-963098.html?tag=nl >:
“A mudança provavelmente não está logo ali adiante. Mas dentro da próxima década – ou sem dúvida nos próximos 15 anos – é certo que novas substâncias irão substituir o silício como matéria prima para fabricação de circuitos integrados para computação” .

O princípio de funcionamento da malha molecular é simples. Ela consiste em uma rede, ou malha, de condutores microscópicos cujas interseções são conectadas por moléculas. Parece complicado, mas não é. Imagine dois planos paralelos muito próximos (e quando o assunto é nanotecnologia, “muito próximos” significa distâncias da ordem de nanômetros, ou milionésimos de milímetro). Em um desses planos, instale um conjunto de condutores elétricos retilíneos, paralelos entre si. No outro, instale um conjunto semelhante, porém disposto ortogonalmente ao primeiro (ou seja, em ângulo de 90º com os condutores do primeiro plano). Isto formará uma malha, ou rede, tridimensional. Preencha o espaço entre os dois planos com uma substância cujas moléculas sejam suficientemente grandes para ligar dois condutores, um em cada plano (moléculas de substâncias chamadas polímeros, cujo diâmetro é da ordem de alguns nanômetros). Haverá muitas moléculas que não tocarão condutor nenhum. Haverá algumas que tocarão apenas um condutor. Mas, nos pontos em que um condutor passar “por cima” do outro, as moléculas tocarão dois condutores, um em cada plano, interligando-os. Se estas moléculas, por sua vez, conduzirem eletricidade (ou seja, oferecerem baixa resistência à passagem da corrente), “fecharão” o circuito entre esses dois condutores e, caso haja uma diferença de potencial elétrico (ou tensão) entre eles, uma corrente elétrica fluirá de um para outro através da molécula. Se as moléculas não forem condutoras (ou seja, se sua resistência elétrica for elevada), o circuito permanecerá “aberto” e, mesmo que haja uma diferença de potencial elétrico, não fluirá corrente de um condutor para outro.

Para materializar um circuito como este, algumas condições devem ser cumpridas: desenvolver um processo de fabricação suficiente preciso, selecionar materiais para fabricar os condutores elétricos e identificar substâncias cujas moléculas permitam alterar sua condutividade elétrica.

figura 1

Começando por esta última: pesquisas revelaram que existem polímeros com moléculas suficientemente grandes e que, quando recebem uma tensão elétrica, sofrem alterações estruturais que fazem com que sua resistência elétrica varie até dez mil vezes. Ligando-se condutores elétricos a essas moléculas pode-se aplicar tensões a cada uma delas, fazendo com que conduzam ou não a corrente elétrica dependendo de haver ou não uma tensão aplicada. Cada molécula agirá, então, como um “chaveador de corrente”, deixando ou não passar corrente elétrica entre os dois condutores que interliga. E “chavear corrente”, como vimos nas colunas anteriores, é justamente o papel dos transistores nos circuitos eletrônicos. Um desses compostos é a substância orgânica conhecida por rotaxano (“rotaxane”, em inglês), um polímero  cujas moléculas são formadas por átomos dos elementos carbono, oxigênio, hidrogênio e enxofre. Uma molécula de rotaxano consiste de duas estruturas moleculares interligadas si por uma terceira estrutura linear que por sua vez é circundada por uma quarta estrutura em forma de anel (veja representação esquemática na Figura 1). Este anel pode deslizar livremente ao longo do eixo da molécula. A resistência oferecida pela molécula de rotaxano à passagem da corrente depende da posição do anel ao longo do eixo da molécula, que pode ser alterada aplicando-se uma tensão à molécula. Mais detalhes sobre os rotaxanos e seu comportamento podem ser obtidos em “ Rotaxanes and Catenanes”, em < http://www.s119716185.websitehome.co.uk/home/rotcatintro.html >, “ Computing with molecules”, em < www.cs.man.ac.uk/aig/staff/toby/writing/PCW/crystal.htm > e “Virtual Nanotech”, em < www.sciencenews.org/articles/20040207/bob8.asp >. Uma representação tridimensional da molécula de rotaxano, onde se percebe claramente o “anel” em tons de roxo, pode ser vista na Figura 2, obtida de “ The Molecular Picture gallery”, em < http://users.ox.ac.uk/~hlagroup/index.html >.

figura 2

Os condutores elétricos a serem interligados pelas moléculas de rotaxano, por sua vez, são feitos de titânio e platina, metais já empregados usualmente nos circuitos integrados atuais, criados a partir do silício.

O aspecto de uma malha molecular é o mostrado na Figura 3, obtida na galeria de imagens do Quantum Science Research em < www.hpl.hp.com/research/qsr/gallery.html >. Nela se pode notar um condutor (em estrias verdes e amarelas, que atravessa a imagem do canto superior esquerdo até o meio da borda direita) passando acima de um conjunto de diversos outros condutores paralelos e ortogonais ao primeiro, e algumas moléculas de rotaxano (estruturas compostas por pequenas esferas vermelhas – condutoras – ou verdes – não condutora) interligando os condutores nos pontos em que o condutor superior passa exatamente acima dos condutores do plano inferior. Uma malha molecular como esta pode ser usada tanto como memória (cada molécula de rotaxano armazenando um bit, um se conduzindo, zero se não conduzindo) ou como parte de um circuito integrado no qual as moléculas de rotaxano substituiriam os transistores como chaveadores de corrente.

figura 3

A tecnologia da malha molecular tem duas características que facilitarão enormemente a fabricação de circuitos integrados nela baseados. A primeira é que ela pode ser facilmente incorporada a circuitos fabricados com a tecnologia tradicional de camada de silício, dando origem a circuitos híbridos, onde os componentes responsáveis pela lógica usarão a tecnologia de malha molecular enquanto os componentes responsáveis pela entrada e saída de dados serão fabricados usando a tecnologia convencional de camada de silício. A segunda é que seus circuitos são muito mais fáceis de serem fabricados, já que usam uma tecnologia mais próxima da impressão à jato de tinta que da gravação e entalhe usado para fabricar os processadores atuais (já descrita em coluna anterior).

Os laboratórios de pesquisas em ciência quântica da HP já conseguiram fabricar protótipos de circuitos de memória com malhas moleculares com densidade de armazenamento de 6,4 Gb (Gigabits) por centímetro quadrado, dez vezes maior que a densidade de armazenamento atualmente conseguida com circuitos de memória RAM dinâmica (DRAM). Mas seu grande objetivo é incorporar a tecnologia da malha molecular em circuitos integrados de silício.

Para comprovar a exeqüibilidade da idéia, eles acabam de fabricar o primeiro protótipo, um dispositivo do tipo “crossbar latch”, ou malha molecular, capaz de efetuar cálculos, desempenhando a mesma função que o processador convencional de camada de silício (veja artigo de Michael Kanellos publicado em 31 de janeiro último em
< http://news.com.com/HP+For+circuits%2C+swap+silicon+for+molecules/ {na mesma linha. N.do W.)
2100-1006-5557954.html?part=dht&tag=ntop&tag=nl.e703
>).
E espera fabricá-los em escala industrial dentro dos próximos cinco anos.

Se ela conseguir, será a primeira a fabricar circuitos integrados usando tecnologia molecular capaz de, no futuro, substituir completamente os microprocessadores fabricados com camada de silício. Quem sabe dando um novo alento à Lei de Moore.

Mas é bom não esquecer que tudo isso ainda está na fase de pesquisas...

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B. Piropo


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