• Stanford: Primeiro Computador com Nanotubos de Carbono

    Um grupo de pesquisadores de Stanford estão um passo mais próximos de responderem a questão sobre o que acontecerá com o silício - o material padrão nos dias de hoje para a confecção de circuitos microeletrônicos - quando o mesmo alcançar seus limites fundamentais para uso nos cada vez menores transistores sendo fabricados pela indústria. Em um artigo publicado no periódico Nature, nesta última quarta-feira dia 25 de Setembro de 2013, os pesquisadores relataram ter construído com sucesso um computador funcional - obviamente um computador absurdamente simples - feito inteiramente de transistores com base de nanotubos de carbono. Os nanotubos, que são moléculas de carbono ligadas na forma de uma malha cilíndrica, sempre foram a promessa futura que permitiria a construção de computadores cada vez menores e de menor consumo de energia, mesmo tendo como revés a atual dificuldade de se trabalhar com esse material.


    Pesquisadores de Stanford criam o primeiro computador utilizando nanotubos de carbono na construção dos transistores. Fonte: The New York Times.

    Entretanto, o Stanford Robust Systems Group realizou um progresso significativo nesses últimos 18 meses, avançando na construção individual de transistores feitos de nanotubos de carbono até a construção de circuitos simples feitos pela interconexão desses transistores. E nessa semana eles conseguiram organizar esses pequenos circuitos na forma de um computador funcional constituídos de apenas 142 transistores com um consumo de energia absurdamente baixo.

    Máquina de Turing Completa

    Enquanto o protótipo de computador de Stanford é formado de transistores que são insanamente pequenos se comparados aos feitos industrialmente - um mícron versus 22 nanômetros - ele ainda sim é um sistema construído que os cientistas se referem como uma máquina de "Turing completa", significando que o pequeno possante é capaz de efetuar qualquer computação, desde que seja dado tempo suficiente para o mesmo.

    Inclusive o protótipo é multitarefa, permitindo rodar dois programas de forma concorrente, (no caso foi possível rodar um programa de contagem e um de sorteio), informou H. S. Philip Wong, um engenheiro elétrico da Universidade de Stanford e um dos líderes do grupo. "Nós gastamos uma quantidade enorme de tempo nisso; de fato nós gastamos duas gerações de estudantes nisso", acrescentou.

    O computador é baseado em um subconjunto de 20 instruções utilizado pelo microprocessador MIPS comercial, que por si mesmo foi projetado por um grupo de pesquisadores da própria Stanford liderados pelo atual presidente da instituição, John Hennesy, durante a década de 1980. "Eu acredito que esse é realmente um grande trabalho" disse Supratik Guha, diretor de ciências físicas junto ao Thomas J. Watson Research Center da IBM. "É uma demonstração rudimentar de que nanotubos de carbono podem ser utilizados para construir um computador universal, ou uma máquina de Turing completa. Esse não é o mais eficiente computador [do mundo], mas esse não é o ponto. Esse é [apenas] o primeiro passo".

    Porém, como o processo industrial que move a moderna indústria de semicondutores requer uma precisão absurdamente alta, qualquer nova tecnologia que o meio possa querer utilizar no futuro, precisa antes ser aperfeiçoada por um período superior a três anos, até que a mesma possa ser considerada como uma tecnologia para uso em produção comercial.

    Alotropia e o Mercado

    Os nanotubos de carbono continuam a excitar a área do conhecimento referente a ciência dos materiais, devido ao alto potencial de toda sua gama de alótropos. Para quem não sabe, a alotropia pode ser definida como um fenômeno físico onde um mesmo elemento constituinte da matéria (no caso o carbono) pode assumir diferentes formas de materiais e substâncias através de diversas formas de combinação. O carbono, como muitos sabem é o constituinte do diamante [A] (a forma de ligação tridimensional do carbono mais difícil de se romper e de se obter artificialmente), do grafite [B] (o carbono orientado em camadas como nanomalhas, mas empilhadas uma sobre as outras, onde uma única malha possui o nome de grafeno), o diamante hexagonal [C] (a segunda forma tridimensional mais resistente de ligações entre carbono, produzida quando grafite presente em cometas adentram a atmosfera terrestre e se chocam contra o solo, sendo produzidos pelo altíssima temperatura e impactos gerado), os fulerenos [D,E,F] (átomos de carbono ligados formando esferas com diferentes números de átomos de carbono, composto por 60, 70 ou até mesmo 540 unidades atômicas desse elemento), o carvão [G] (uma estrutura amorfa de átomos de carbono), e por fim os nanotubos [H] (que são como as malhas de carbono ligadas de forma a terem o formato de um tubo em escala nanométrica). Veja a imagem abaixo:


    Os oito alotropos do carbono. Fonte: Wikipedia.

    Vale ressaltar que o potencial do carbono em aplicações industriais é altíssimo, e quanto maior a complexidade das estruturas alotrópicas desse elemento constituinte da matéria, maior seu valor econômico, e mais refinado, complexo e de alto investimento (e retorno) será o produto final correspondente na indústria. E o interessante é que o grupo está mantendo o foco em aplicações utilizando apenas um único alotrópico do carbono - os nanotubos - permitindo um avanço científico singular que poderá revolucionar toda uma indústria de hardware no futuro próximo, deixando a atual tecnologia de computadores "no chinelo".

    A Atual Indústria de Circuitos e a Lei de Moore

    Atualmente a indústria de semicondutores líderes de mercado são capazes de integrar circuitos de silício em dimensões de até 22 nanômetros. Para se ter uma ideia do quão pequeno é esse valor, se você enfileirar 4.000 dessas unidades terá aproximadamente a média da espessura de um fio de cabelo. E a redução de tamanho de transistores na indústria tende a seguir a famosa Lei de Moore, reduzindo pela metade suas dimensões a cada 2 anos. Porém, estamos chegando ao limite físico na fabricação de transistores, que deverá ser alcançada até o ano de 2020, com uma espessura unitária de 5 nanômetros. Tentar criar um transistor menor que 5 nanômetros utilizando silício é inviável, pois ocorreria interferência entre as unidades de transistores adjacentes, tornando o resultado final (o microcircuito) não-funcional.

    A constante redução do tamanho dos transistores nessa última metade de século foi muito importante por reduzir significantemente o custo da computação, tornando possível construir computadores cada vez mais poderosos, rápidos e baratos, que consomem uma quantidade cada vez menor de energia a cada nova geração.

    As Apostas de Cada Empresa

    Embora a Intel ainda esteja avaliando que tecnologia de material poderá substituir o silício quando o mesmo alcançar seu limite em miniaturização de transistores, a IBM está mais focalizada e otimista, apostando alto no potencial dos nanotubos de carbono. De fato, a companhia já se mostrou muito bem sucedida na criação de um inversor - um elemento lógico básico utilizado em circuitos eletrônicos - utilizando dois diferentes tipos de transistores feitos de nanotubos de carbono, e planeja demonstrar o dispositivo em uma reunião técnica que ocorrerá ainda no final deste ano de 2013.

    Os pesquisadores dizem que seus avanços não devem ser considerados como um grande avanço científico, mas apenas como uma demonstração significante da habilidade de trabalho com um material diferente do silício, com grande precisão. Eles também afirmam que seu projeto de pesquisa foi inteiramente compatível com o padrão de processo de fabricação industrial, o que poderia pular diversas etapas e barreiras para o uso dessa aplicação da técnica na indústria atual de microcircuitos. Isso também sugere que no futuro será possível construir chips híbridos utilizando os nanotubos de carbono em locais particulares do chip, ajudando assim a estender a vida do silício na computação.

    Os pesquisadores envolvidos afirmam que estão orgulhosos de seu pequeno protótipo. "Esse é um computador geral e nós podemos fazer o que quisermos com ele" afirmou Max Shulaker, um estudante graduado na Stanford que é um membro de liderança no grupo de pesquisa. "Nós poderíamos em princípio rodar o Windows 64-bit [nele], mas isso levaria milhões de anos [para processar]".

    Fonte:

    - The New York Times: Researchers Build a Working Carbon Nanotube Computer (em Inglês)

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