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B. Piropo
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12/11/2007
< Um novo tipo de memórias II: >
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nanochaves de cobre
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Na < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=224527 >coluna anterior vimos como a tecnologia atual de fabricação de memórias vem se aproximando de seu limite prático de viabilidade devido às exigências de dispositivos cada vez mais miniaturizados, o que força a necessidade do desenvolvimento de um novo tipo de memórias. Mas, em um aparente desvio de assunto, passamos a abordar o fenômeno eletroquímico conhecido por “galvanoplastia”.

Pois agora voltaremos ao problema das memórias.

Como a tecnologia atual está próxima de seu limite e como o mercado e, por via de conseqüência, a indústria, não cessam de exigir reprodutores de MP3, telefones celulares, câmaras digitais e micros de mão cada vez mais potentes e menores, alguma coisa deve ser feita para reduzir as dimensões dos CIs utilizados para memória de semicondutores. Ou seja: uma nova tecnologia precisa ser desenvolvida.

Com este objetivo em mente os pesquisadores vêm enfrentando o problema em duas frentes. Uma delas, radical, busca a criação de algo completamente novo, menor, mais eficiente. O que resolveria o problema mas exigiria investimentos bilionários já que provavelmente todo o processo de fabricação atual deveria ser abandonado, transformando em sucata fábricas inteiras.

A segunda, visando economia de custos de investimento, busca refinar os processos de fabricação atuais, o que permitiria atingir o objetivo sem deitar a perder as instalações industriais existentes.

Pois bem, no desenvolvimento das novas memórias nanoiônicas de resistência elétrica, a equipe de pesquisadores do CANi buscou trilhar ambos os caminhos: criar um tipo de memória totalmente novo que permita atingir níveis de miniaturização jamais cogitados mantendo, porém, a tecnologia básica de fabricação atual. O que permitirá o aproveitamento, através de meras adaptações, das instalações de fabricação existentes. Uma façanha interessante, sem dúvida.

Mas como isto foi conseguido? De que forma a nanoiônica participa da solução?

Bem, a tecnologia desenvolvida no CANi permite usar os princípios de atração e repulsão elétrica de íons metálicos para mover partículas extremamente pequenas no interior de eletrólitos sólidos empregando um artifício simples: em vez de mover elétrons entre partículas carregadas, os princípios da nanoiônica são usados para ionizar as partículas e mover os íons. Ainda segundo Kozicky: “Nós conseguimos mover coisas do tamanho de vírus entre dois eletrodos para comutar seu estado de alta resistência em baixa resistência elétrica, o que é ótimo para (fabricar) memórias”.

Kozicky e sua equipe batizaram a nova tecnologia de PMC – Programmable Metallization Cell (metalização programável de células). Seus princípios são simples de entender (o difícil, naturalmente, é aplicá-los): usa-se a nanoiônica para criar “nanocondutores” de cobre (fios de cobre com espessura na ordem de nanômetros) entre dois eletrodos, fazendo com que a corrente possa fluir entre eles com resistência relativamente baixa, já que o cobre é um excelente condutor de corrente elétrica (nas memórias de resistência elétrica esta e a forma de se armazenar um bit “um”). E usa-se os mesmos princípios para ionizar a partícula de cobre e movê-la, “abrindo” o circuito entre os eletrodos (e, assim, armazenando um bit “zero”).

Os nanocondutores são criados ionizando átomos de cobre, movendo-os para a região que separa os eletrodos, alinhando-os e removendo a carga elétrica para formar um minúsculo (e bota minúsculo nisso...) fio de átomos de cobre. Os pesquisadores dominaram as características dos eletrólitos sólidos e sua nanoestrutura de tal maneira que conseguem fazer com que o efeito de redistribuição de massa (ou seja, a formação dos nanocondutores) ocorra rapidamente mesmo com polarizações elétricas extremamente baixas e correntes muito pequenas.

Segundo a equipe do CANi, o processo é similar à condensação de um cristal a partir de uma solução, porém com duas diferenças básicas. A primeira é que quem desempenha o papel de “solvente” não é um líquido, mas um composto sólido de silício. A segunda é que o processo é quase infinitamente reversível. Quando se aplica uma carga positiva (ou seja, se remove elétrons) de uma célula através da técnica PMC, os átomos de cobre retomam sua forma ionizada e o nanocondutor se “desmancha”. Aplicando-se a seguir uma carga negativa (ou seja, devolvendo os elétrons), eles se “cristalizam” novamente e recriam o nanocondutor. E como o processo depende do fornecimento de energia apenas no momento de efetuar a mudança de estado, as memórias de resistência elétrica não perdem as informações armazenadas quando se “desliga” o dispositivo (em termos técnicos: não são “voláteis”).

Nas palavras de Kozicky: “Nós desenvolvemos um novo tipo das velhas memórias, mas ele é realmente o tipo perfeito de memória e atende o que será exigido pelas gerações futuras: apresenta baixo consumo de energia, pode ser miniaturizado até a escala nano e pode-se agrupar um bocado delas em um pequeno volume.”

Resumindo: as memórias fabricadas através da tecnologia PMC são extremamente rápidas porque dependem do movimento de íons em distancias muito pequenas, consomem baixíssima energia por dependerem de tensões e correntes de muito baixa potência e, por serem não voláteis, podem substituir as memórias do tipo “flash” em todas as suas aplicações atuais.

Mas esses não são os pontos mais importantes. O que torna as memórias nanoiônicas inigualáveis é que seu custo de fabricação provavelmente será muito baixo.

E a razão disto é simples: os pesquisadores do CANi desenvolveram um processo de fabricação das novas memórias que emprega exatamente os mesmos materiais utilizados atualmente na fabricação de “chips” de memória: a técnica de “dopagem” (Veja, no detalhe ampliado da Figura 1, obtida no < http://www.asu.edu/aine/cani/cani_app.html > sítio da ASU, eletrodos de prata gerados via deposição por dopagem do metal em um eletrólito sólido).

Figura 1: Eletrodos gerados por eletrodeposição em escala nanométrica.

Segundo o dicionário Houaiss (rubrica: física da matéria condensada), dopagem é o “processo pelo qual se introduzem impurezas em uma rede cristalina de um semicondutor de maneira a modificar adequadamente suas propriedades físicas”. Na fabricação de CIs de memória estas impurezas costumam ser pequeníssimas quantidades de materiais condutores como Boro, Arsênico ou Fósforo. E, neste processo, foge-se do Cobre como o diabo da cruz.

Pois bem: é justamente o Cobre que é usado como impureza em uma rede cristalina de dióxido de Silício na fabricação das memórias nanoiônicas. Ainda segundo Kozicki: “As pessoas fazem tudo o que podem para manter separados o Cobre e o óxido de Silício mas no nosso caso estamos muito interessados em misturar o cobre de tal forma que ele se torne móvel e possa se movimentar no interior do óxido. Devido a este movimento nós podemos fabricar uma espécie de ‘interruptor’ em escala nano (ou uma “nanochave”). Este pequeníssimo interruptor pode ser usado em aplicações de memória armazenando informações através da variação do valor de sua resistência”.

Ora, como no que diz respeito ao processo de fabricação em escala industrial a diferença entre as memórias atualmente disponíveis e as futuras memórias nanoiônicas é basicamente a natureza da impureza a ser adicionada durante a “dopagem”, as memórias nanoiônicas baseadas em eletrólitos sólidos poderão ser fabricadas usando as mesmas técnicas comumente empregadas para a fabricação industrial das memórias produzidas pela indústria dos semicondutores e grande parte da maquinaria. O que resulta em uma imensa economia, já que bastará introduzir algumas adaptações nas instalações existentes.

Na verdade essa característica possibilita um grau de integração tão grande entre a nova e a “velha” tecnologia que podemos esperar sistemas eletrônico-iônicos em um mesmo “chip”, ou seja, um circuito integrado híbrido que adote ambas as tecnologias.

De acordo com a equipe do CANi, a indústria de eletrônica digital já manifestou interesse nas novas memórias. E três empresas, Micron Technology, Qimonda e Adesto já licenciaram a tecnologia junto ao ramo comercial da ASU, a < http://www.axontc.com/ > Axon Technologies. Ainda segundo Kozicky, os primeiros dispositivos contendo memórias nanoiônicas deverão estar disponíveis no mercado em cerca de ano e meio.

E o próprio Kozicky, no artigo < http://asunews.asu.edu/20071023_nanotech > “ASU researchers give memory a boost”, acrescenta:

“Tudo isto significa que poderemos substituir (por memórias nanoiônicas de resistência elétrica) as memórias de todo o tipo de aplicações – de micros portáteis a iPods, telefones celulares e mais seja lá o que for. E como seu consumo de energia é muito baixo, poderemos comprimir uma grande capacidade de memória em um pequeno volume, economizando carga da bateria. Além do que, não sendo volátil, será possível desligar o dispositivo sem perder informações. E o que torna tudo isto ainda mais significativo é que fomos capazes de criar um componente que jamais foi imaginado antes usando apenas materiais que já são empregados na indústria de semicondutores”.

Se Kozicky tem razão, prepare-se: dentro de um par de anos haverá um chip de memória nanoiônica em praticamente todo o dispositivo eletrônico que você usar.

É esperar para ver...

Coluna anterior: < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=224527 > Um novo tipo de memórias I: tecnologia nanoiônica

Próxima coluna: Em breve.

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