"Superchips"
irão revolucionar a eletrônica doméstica
David Freedman
Technology Review
Na Philips Electronics, da Holanda, os pesquisadores estão
perseguindo a solução para um dos grandes problemas da vida
moderna: ter de vasculhar centenas de canais de televisão em
busca de algum programa para assistir. A resposta do laboratório
é um televisor que reconhece o usuário quando ele entra na sala,
sabe que ele gosta de filmes de suspense sobrenatural, descobre um
gravado automaticamente às três da manhã e o coloca em exibição
na tela. Em janelas menores poderão ser assistidas reportagens
sobre uma empresa britânica na qual a companhia do telespectador
acaba de investir, a página da Web contendo um leilão do eBay no
qual ele está interessado e um vídeo contendo imagens de alta
resolução gravado em seu celular horas antes. Vontade de trocar
de canal? Diga em voz alta o que deseja, ao televisor.
Talvez a melhor característica desse talentoso aparelho seja o
fato de que, dentro de sete anos, você poderá comprá-lo por preço
semelhante ao pago por um televisor "burro" atual. A
Philips já demonstrou esse tipo de recurso em seu laboratório, e
recentemente lançou um protótipo semi-inteligente. "Já
podemos produzir um televisor quase integralmente digital que
permitiria acrescentar funções por meio de software, com custo
razoavelmente semelhante ao de um aparelho analógico
convencional", diz Theo Claasen, vice-presidente de
tecnologia do grupo de semicondutores da empresa.
Terminamos por aceitar como dado que a indústria de eletrônica
continue nos propiciando produtos novos e melhores, e podemos
apostar com segurança que esse processo não vai se desacelerar
no futuro próximo. Os produtos eletrônicos são em larga medida
definidos pelos microprocessadores que os acionam, e o poder e
velocidade desses chips continua a crescer exponencialmente. A
espantosa persistência da Lei de Moore, a previsão realizada
quase 40 anos atrás por Gordon Moore, co-fundador da Intel, de
que o número de transistores em um chip seria duplicado a cada 12
a 18 meses significa que os chips avançaram de uns poucos
milhares de transistores, três décadas atrás, para além dos
100 milhões, agora, enquanto o preço por transistor caiu de US$
1 para um milionésimo de centavo. E já que a densidade de
transistores se traduz, grosso modo, na forma de velocidade de
computação e comunicação, podemos agradecer à Lei de Moore
por inovações como as compras online, os sistemas de navegação
digitais para automóveis e os celulares de baixo preço. "Os
transistores são grátis", diz Krishnamurthy Soumyanath,
diretor de pesquisa de circuitos de comunicação na Intel.
"Podemos resolver problemas simplesmente aumentando o número
de transistores empregados".
A despeito das perenes advertências dos céticos quanto à futura
perda de validade da Lei de Moore, a indústria está preparada
para se manter fiel a essa norma por pelo menos mais três gerações
de microprocessadores, que devem ser lançadas ao longo dos próximos
seis anos. No momento, os processadores de silício mais rápidos
disponíveis ao consumidor tem 90 nanômetros de largura. Antes do
final de 2005, os fabricantes esperam começar a produzir
processadores com 65 nanômetros de largura, e os planos para
reduzi-los aos 45 nanômetros a partir de 2007 já estão em
desenvolvimento.
A miniaturização
significa que mais transistores podem ser comprimidos em um único
chip. Isso torna os microprocessadores mais rápidos, em parte por
reduzir a distância que os elétrons têm de percorrer entre um
transistor e outro. Ela também torna os chips de memória mais
potentes. Hoje, os microprocessadores mais velozes disponíveis ao
consumidor têm cerca de 180 milhões de transistores e operam com
velocidade de cerca de três gigahertz ou, em termos gerais, três
bilhões de operações simples por segundo, enquanto os chips de
memória de acesso aleatório (RAM) adjacentes detêm dois
gigabytes de memória ou mais. Em 2007, os processadores terão
mais de um bilhão de transistores, e chegarão a velocidades de
10 gigahertz, com RAM da ordem de alguns gigabytes. Com potência
e memória dessa ordem, os computadores pessoais serão capazes de
transportar usuários a mundos online ultra-realistas, sustentar
conversações (pelo menos sobre certos assuntos) e realizar
buscas rápidas na coleção de vídeos de férias da família
para localizar o exato momento em que a canoa vira com o tio
Arnold a bordo.
Prever que outras espécies de aparelho resultarão dessa explosão
de poder de computação termina sendo, evidentemente, a pergunta
de US$ 64 mil -ou melhor, no caso, a pergunta de US$ 64 bilhões.
Por mais presciente que fosse quanto aos chips, nem Gordon Moore
conseguiu prever o computador pessoal ou a Internet, para não
falar dos organizadores pessoais ou dos celulares inteligentes. Os
videofones domésticos e os computadores em forma de caneta, por
outro lado, continuam longe do radar dos consumidores, apesar da
promoção que recebem na mídia e no entretenimento já há décadas.
"Se 10 anos atrás alguém viesse nos falar sobre a World
Wide Web, players de MP3 e câmeras de vídeo que cabem na palma
da mão, ninguém acreditaria", alega Jeffrey Bokor,
professor no departamento de engenharia elétrica e ciências da
computação da Universidade da Califórnia em Berkeley. "O
que viremos a testemunhar ao longo dos próximos anos será
igualmente difícil de imaginar".
Filmes por telefone
Mas muitos especialistas estão dispostos a arriscar palpites. No
topo de quase todas as listas está o telefone celular, que parece
a ponto de passar por uma radical transformação. Para começar,
diz Peter Kastner, pesquisador chefe do Aberdeen Group, uma
empresa de pesquisa de mercado sediada em Boston, os celulares
portarão todos os recursos necessários para comunicação em
diversas freqüências e sob diversos códigos de codificação
diferentes, de modo que serão capazes de procurar constantemente
os canais de comunicação que lhes ofereçam o melhor volume de
transmissão de dados pelo menor custo.
Isso significa que os novos aparelhos receberão dados 20 vezes
mais rápido do que os celulares atuais, ou talvez com velocidade
ainda maior, sem que suas contas disparem de maneira comparável.
Para lidar com esse ritmo de transferência de dados, os celulares
operarão em freqüências de dois ou mais gigahertz, bem acima
das faixas utilizadas pela maioria dos aparelhos atuais. Essa
migração não oferecia bom custo/benefício, até recentemente,
porque os circuitos analógicos que processam os sinais de áudio
e vídeo tradicionais requeriam projetos e materiais
especializados em seus transistores. Os circuitos analógicos são
também sensíveis ao "ruído" eletrônico dos circuitos
digitais, o que implica que sejam mantidos em geral separados em
chips distintos, um arranjo dispendioso e ineficiente que limita a
capacidade dos aparelhos para operar com sinais ultra-rápidos.
Mas agora, graças aos avanços de desempenho que derivam do
arranjo mais denso de transistores em cada chip, os circuitos
digitais estão começando rapidamente a imitar muitas das funções
dos circuitos analógicos, incluindo o trabalho com sinais de rádio
em rápida mutação e de alta largura de banda. "Podemos
apanhar um sinal de rádio analógico diretamente de uma antena e
rapidamente transformá-lo em lógica digital", diz Dennis
Buss, vice-presidente de desenvolvimento de tecnologia em base de
silício para a Texas Instruments, que já está lançando
aparelhos sem fio integrados e de chip único baseados nessas
novas técnicas.
Com suas conexões
praticamente de banda larga, esses novos celulares permitirão
navegação rápida e de ótima resolução pela Web, e até mesmo
vídeo em tempo real com qualidade passável, o que significa que
podem incorporar câmeras de vídeo para gravação, videoconferência
e uso de videogames sofisticados, e possivelmente até permitir
que filmes sejam assistidos em suas telas. As máquinas também
serão mais inteligentes, assumindo parcela cada vez maior das funções
dos organizadores pessoais e até mesmo dos computadores, entre as
quais as compras online, os serviços de e-mail e recursos de
agenda, além de oferecerem sistemas de navegação com mapas
detalhados, acessíveis em modo de voz. No momento, cerca de
metade dos transistores de um celular são empregados para
interagir com o usuário, e não para o processamento de ligações,
mas Claasen, da Philips, diz que o número de transistores
dedicados ao usuário será ampliado por um fator de 10 ao longo
dos próximos anos. Isso "estimulará um novo ciclo de aquisição
de celulares", prevê Kastner.
E não são apenas os celulares que se beneficiarão do progresso
nos microprocessadores. Os computadores pessoais e outros
aparelhos também se tornarão mais fáceis de usar. À medida que
os aparelhos e redes ganham em inteligência, o usuário não
precisará lhes dedicar tanta atenção. Isso é crítico para sua
aceitação, diz James Meindl, diretor do Centro de Pesquisa de
Microeletrônica no Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Até
o momento, não dispúnhamos de recursos eletrônicos suficientes
para tornar a operação dessas máquinas completamente
simples", diz.
Tomemos os televisores como exemplo. No aparelho que a Philips está
planejando, diz Claasen, por volta de 80% do poder de computação
do chip principal serão usados não para processamento de
imagens, mas para acionar uma interface adaptativa que montará
conteúdo com base em múltiplas fontes adequadas aos hábitos de
consumo dos telespectadores, e lhes oferecerá escolhas no formato
que lhes for mais confortável. Os televisores se tornarão tão
dependentes do poder de computação, diz Claasen, que em breve os
consumidores poderão comprá-los da forma como selecionam seus
computadores, agora, de acordo com a velocidade de processamento,
tamanho da memória e capacidade de comunicação, e não por sua
funcionalidade, que será provida por meio de software passível
de atualização automática via Internet.
E podem se despedir de incômodos como ter que abrir caminho na
marra por quatro telas de opções antes de fazer com que seu
organizador pessoal mostre o nome pelo qual estiverem procurando.
A maior parte dos problemas de facilidade de uso desaparecerá,
diz Kastner, do Aberdeen, quando os produtos eletrônicos começarem
a entender comandos em inglês (ou finlandês, ou mandarim) básico.
O reconhecimento de fala é muitas vezes retratado como problema
de software, mas na verdade é possível resolvê-lo com a aplicação
de capacidade muito aumentada de computação, em termos de
processamento e memória, um recurso que a geração vindoura de
chips com certeza oferecerá. Os aparelhos e dispositivos portáteis
capazes de aceitar comandos simples por voz já estão chegando ao
mercado e, de acordo com Kastner, as máquinas ganharão
capacidade de manter conversas rudimentares com seus usuários,
por volta de 2010. "Com toda essa potência, pode-se empregar
algoritmos múltiplos para resolver um problema", explica
ele. "Não teremos todas as capacidades do computador HAL,
como no filme '2001', mas chegaremos perto disso".
Patrick Gelsinger, vice-presidente de tecnologia da Intel, diz que
os laboratórios da empresa já obtiveram melhoramentos
significativos em reconhecimento de voz, ao usar microfones múltiplos
para acrescentar uma dimensão direcional à informação sonora
que chega ao software, e ao adotar capacidade de leitura de lábios
via câmera de vídeo. "Se as casas deixarão de ter quatro
computadores e passarão a ter 400 deles, precisamos facilitar
muito o uso dos 396 adicionais", diz ele. Essa facilidade de
uso cada vez maior, acrescenta ele, resultará em larga melhora na
velocidade dos microprocessadores, com lançamentos iniciais já
previstos para os próximos modelos.
A mágica do silício
Que avanços importantes permitirão que o setor de semicondutores
dê saltos como os descritos acima? Na realidade, nenhum. Os
especialistas concordam, quase todos, em que as três próximas
gerações de microprocessadores simplesmente estenderão as
propriedades já familiares do silício. Isso não implica ausência
de inovações dramáticas prontas a chegar ao mercado, incluindo
o uso de materiais ainda mais exóticos para os
microprocessadores, a exemplo do germânio e do fosfito de índio,
e de técnicas para aglutinar camadas de transistores em chips
tridimensionais. Mas não podemos deixar de considerar que a indústria
optará por fazer o que puder com o silício, porque é um método
mais barato. "A cada vez que alguém desenvolve novos
materiais funcionais ou estruturas exóticas para os aparelhos, os
pesquisadores que trabalham com o silício conseguem se equiparar
a esses avanços", diz Bokor, de Berkeley. "Existe forte
interesse, na indústria, em adotar o ritmo menos radical possível
para as mudanças".
Os fabricantes de chips terão de adotar algumas modificações
importantes em seus métodos atuais, a começar do processo
fotolitográfico usada para traçar os padrões dos circuitos
quimicamente nos chips. Nas máquinas de fotolitografia, lentes
concentram um feixe de luz ultravioleta que atravessa uma máscara
perfurada com o modelo dos circuitos e grava padrões em bolachas
de silício revestidas de um material fotossensível. As máquinas
de fotolitografia usadas para produzir os chips atuais não tem
precisão suficiente para gravar circuitos de 65 nanômetros. Mas
técnicas novas e de maior resolução estão sendo definidas, por
exemplo a adoção de grades ultrafinas que dividem e recombinam
os feixes de luz, de modo que possam se reforçar mutuamente nos
pontos em que luz é necessária e se cancelar nos demais. Para
chegar a dimensões de 45 nanômetros e menos, os fabricantes
podem adotar máquinas, em desenvolvimento no momento, que
empregam ou luz ultravioleta extrema, que tem comprimento de onda
inferior e pode ser usada para gravar circuitos menores, ou feixes
de elétrons, que podem ser controlados com extrema precisão e
gravar circuitos diretamente no silício, sem o uso de uma máscara.
Novas formas de
silício também podem ajudar. Por exemplo, os chips terão sua
velocidade estimulada pelo silício depositados sobre uma camada
de germânio silícico, cujos átomos fazem com que os átomos
ligeiramente desalinhados do silício puro se estiquem um pouco.
Esse silício "esticado" acelera a jornada dos elétrons
pelos transistores. Um estímulo adicional virá do acréscimo de
uma camada de material isolante sob as camadas semiconducentes,
reforçando ainda mais as suas propriedades elétricas. A AMD,
fabricante de microprocessadores, registrou avanços de velocidade
da ordem de 25% e 30%, respectivamente, para as duas técnicas. A
IBM e a Intel já começaram a produzir chips com silício
estendido, e a IBM informa que produtos combinando silício
estendido e silício com camada isolante podem chegar ao mercado
dentro de alguns anos.
Os transistores também estão passando por transformação. À
medida que suas dimensões se reduzem, aumenta a probabilidade de
que elétrons escapem ao curso pretendido e vazem pelas barreiras,
mesmo quando o transistor está supostamente desligado. Esses
vazamentos causam desperdício de energia e interferem com a
capacidade dos transistores para alternar confiavelmente entre seu
estado 0 e seu estado 1, e o problema deve se agravar ainda mais.
Para deter esses vazamentos, a indústria está recorrendo a um
projeto de transistor ligeiramente diferenciado, do qual Bokor e
seus colegas em Berkeley, Tsu-Jae King e Chenming Hu, foram
pioneiros no final dos anos 90.
Em um transistor convencional, o principal ponto de vazamento é
um canal de material comprimido entre a fonte e o dreno, dois
grandes blocos de silício que definem os principais pontos de
entrada e saída de elétrons. Uma estrutura conhecida como portão
fica por sobre o canal, como uma ponte se estendendo por sobre um
rio.Quando uma voltagem positiva é aplicada ao portão, elétrons
com carga negativa são atraídos para ele, o que abre caminho
para que mais elétrons fluam pelo canal da fonte para o dreno. O
problema, com a redução do tamanho dos transistores, é que os
elétrons podem escapar pelo fino canal mesmo que o portão não
tenha carga. O projeto de "barbatana" do grupo de
Berkeley reduz o vazamento ao elevar o transistor inteiro para
fora da superfície do silício, e dar ao canal um novo formato,
como uma barbatana estreita e vertical que se estende da fonte ao
dreno, semelhante ao traço central de uma letra H. A barbatana
está montada sobre material isolante, o que reduz o vazamento de
elétrons, e o portão se dobra por sobre a barbatana, tocando-a
em ambas as superfícies verticais, o que duplica o efeito da
voltagem positiva. A Intel já está adotando uma variante desse
projeto, que deve chegar ao mercado em microprocessadores lançados
por volta de 2007.
Uma vantagem adicional dos materiais de alto desempenho e dos
novos projetos de transistor é que elas tornam possível operar
chips a voltagens menos elevadas. Isso reduz o consumo de energia
e conseqüentemente o risco de superaquecimento, que usualmente
aumenta acompanhando a densidade dos chips.
A realidade nas fábricas
Novas gerações de microprocessadores muito mais poderosos não são
uma conseqüência inevitável da situação atual. Mesmo que os
chips saiam das linhas de montagem com o desempenho avançado
esperado, é possível que o setor encontre dificuldades para
manter os custos baixos o bastante para que celulares e
televisores continuem parecendo pechinchas. O problema é a
disparada dos custos de construção de uma fábrica de chips de
primeira linha, que já ultrapassou os US$ 3 bilhões e está ao
alcance apenas de talvez uma dúzia de empresas no mundo.
Evidentemente, os produtores de eletrônicos muito vendidos
conseguirão diluir os custos iniciais na produção de dezenas de
milhões de chips, o que permitirá manter os preços baixos, pelo
menos para alguns produtos. Mas os custos crescentes das fábricas
de chips poderiam gerar outro problema para os consumidores:
encontrar produtos em estoque. O investimento de capital no setor
de semicondutores caiu em cerca de 50% devido à crise econômica
dos últimos anos, e os observadores vêm prevendo que a indústria
enfrentará escassez de capacidade de fabricação de chips, no
momento mesmo em que disparar a demanda dos consumidores por
aparelhos de nova geração.
"Todo mundo presume que o setor seja capaz de oferecer a
capacidade de produção necessária, qualquer que seja", diz
Richard Gordon, vice-presidente de pesquisa da divisão de
semicondutores do Gartner Group, uma empresa de pesquisa de
mercado. "Mas ampliar a capacidade é difícil, e com a produção
concentrada em algumas empresas apenas, isso será um
problema".
Mas existem bons motivos para apostar que o setor superará esse,
bem como outros, obstáculos que surjam em seu caminho. Afinal, a
capacidade do mundo dos chips para provar que Moore estava certo,
ano após ano, sem ter de realizar o assustador salto do silício
para uma nova tecnologia, vem desafiando até mesmo as
expectativas mais otimistas. "Não importa quais sejam os
obstáculos, o setor é capaz de realizar milagres", disse
Steve Jurvetson, diretor executivo do fundo Draper Fisher
Jurvetson de capital para empreendimentos.
Peça ao seu celular que o mantenha informado sobre os mais
recentes desdobramentos.
David H. Freedman é autor de cinco livros, e seu mais recente
artigo para a revista foi "Pinpoint Weather" [Tempo
Localizado], em junho de 2003.
Tradução: Paulo
Migliacci
