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Computador com nanotubo de carbono

Um processo em escala poderia levar a transistores menores e mais eficientes 

Norbert von der Groeben/Universidade de Stanford
Nanofuturo: um wafer de computadores de nanotubos de carbono
Por Jeremy Hsu

O estilo de vida moderno pode não precisar conter seu apetite por Smartphones e tablets menores e mais velozes quando a era digital finalmente atingir os limites físicos dos chips de silício. Uma nova pesquisa realizada por engenheiros da Stanford University pode ter encontrado um sucessor para o silício ao mostrar como construir um computador de nanotubos de carbono.

O computador de 178 transistores só opera com um bit de informação e uma única instrução.

Isso pode parecer insignificante em comparação com os computadores modernos baseados em processadores de 32 ou 64 bits, que dependem de milhões a bilhões de transistores. Mas o computador de Stanford usa nanotubos de carbono, estruturas cilíndricas ocas feitas de uma folha de átomos de carbono, poderia abrir o caminho para muitos dispositivos de computação futuros mais rápidos e que consomem menos energia. “É um computador simples, mas não é um exemplar único”, diz Subhasish Mitra, um engenheiro elétrico de Stanford e coautor de um novo estudo publicado na edição de 25 de setembro da revista Nature. (A Scientific American faz parte do Nature Publishing Group).

Os dispositivos eletrônicos menores e mais velozes têm dependido há tempos da capacidade dos engenheiros de reduzir o tamanho dos transistores de silício, os diminutos interruptores liga/desliga que formam a base da eletrônica moderna, para que os fabricantes possam colocar mais transistores em cada chip. Em 1965, Gordon Moore, cofundador da Intel, previu que a densidade de transistores dobraria a cada dois anos, permitindo um rápido progresso na eletrônica.

No entanto, quanto menores se tornam os transistores de silício, mais energia eles acabam perdendo em forma de calor, levando a previsões recentes sobre o fim da “Lei de Moore”. Os transistores de nanotubos de carbono poderiam manter esse progresso ao permitirem que os dispositivos eletrônicos, cada vez menores, se tornem ainda mais rápidos e eficientes em termos energéticos, porque os nanotubos gastam pouca energia para serem ligados ou desligados. “Esperamos que os transistores de nanotubos de carbono ofereçam uma redução de até três vezes de energia e um aumento também de três vezes do desempenho. Desempenho e energia podem ser trocados um pelo outro”, explica Supratik Guha, diretor de ciências físicas do Centro de Pesquisa Thomas J. Watson da IBM.

A IBM e a Universidade de Delft, na Holanda, construíram, cada uma por si, os primeiros transistores de nanotubos de carbono em1997. A IBM em particular quer preparar nanotubos de carbono para o dia em que o tamanho mínimo de transistores diminua de cerca de 28 nanometros para algo mais próximo a cinco nanometros. (Um nanometro é igual a um bilionésimo de um metro).

Transistores tão minúsculos permitiriam o desenvolvimento de novos dispositivos móveis com desempenho superior e maior vida útil da bateria. “O resultado de Stanford é um trabalho de pesquisa esplêndido, que mostra que um computador universal poderia ser feito com um circuito de nanotubos de carbono”, afirma Guha. “Acreditávamos que isso poderia ser feito e essa foi uma demonstração rudimentar, mas inequívoca”.

O computador de nanotubos de carbono de Stanford só tem transistores de oito micrometros (8.000 nanometros) devido aos limites do laboratório acadêmico para o processo de produção dos nanotubos. Ainda assim, a equipe de Stanford liderada por Mitra e H.-S. Philip Wong empolgou Guha e outros pesquisadores porque desenvolveu um projeto que contorna problemas, como desenvolvê-los e alinhá-los perfeitamente em linhas paralelas, que têm atrapalhado consistentemente os pesquisadores que tentavam criar nanotubos.

A mais ínfima porcentagem de nanotubos desalinhados pode gerar erros no circuito eletrônico. Embora “tenhamos uma criação de nanotubos de carbono que garante 99,5% de alinhamento, aquele 0,5% ainda é um número muito grande, que pode comprometer a função lógica digital em chips de computador que requerem milhões ou bilhões de nanotubos”, explica Mitra.

Um segundo problema resulta de um pequeno número de nanotubos de carbono que agem como fios metálicos que sempre conduzem eletricidade, em vez de funcionarem como semicondutores que podem ser ligados e desligados.

Os engenheiros de Stanford resolveram o problema do alinhamento com um algoritmo especial que imprime padrões de circuitos nos nanotubos de carbono de uma forma que garante que eles possam funcionar apesar de nanotubos desalinhados. A equipe também lidou com o problema da condutividade metálica ao desligar os nanotubos semicondutores corretos e conduzir eletricidade através dos tubos metálicos para vaporizá-los através do intenso acúmulo de calor.

A computação de nanotubos de carbono provavelmente não sairá do laboratório por mais uns 10 ou 15 anos, observa Max Shulaker, candidato a Ph.D. de Stanford e principal autor do artigo publicado na Nature.

Ele ressaltou, porém, que a construção de computadores de nanotubos de carbono é compatível com os atuais processos da indústria de semicondutores à base de silício, um fator que poderia facilitar o caminho até uma produção em escala industrial. “Essa pesquisa definitivamente fornece uma resposta à importante questão de se a computação de nanotubos de carbono pode ser dimensionada para uma produção industrial”, afirma Shulaker. “Ela mostra que isso de fato pode ser escalável”.