Quão pequenos são os transistores no chip?

Nos chips mais avançados, os transistores são tão pequenos quanto os vírus, ou seja, cerca de 50-100 nanômetros (um nanômetro é um milionésimo de milímetro). Neste artigo veremos como o tamanho dos transistores evoluiu desde a invenção do circuito integrado (CI) em 1959 até hoje.

Lei de Moore, uma profecia auto-realizável

Em 1965, o fundador da Intel Gordon Moore publicou um artigo famoso que se tornou uma profecia ao longo dos anos: O número de transistores integrados em um chip dobra a cada dois anos. Este artigo é uma verdadeira jóia na história da eletrônica, e provavelmente um dos mais influentes no desenvolvimento posterior deste ramo da ciência e tecnologia. A imagem abaixo mostra Moore em seu famoso artigo.

Esse crescimento na matemática tem um nome: a lei das exponenciais. Desde então, o aumento do número de transistores em um CI ou chip (são duas formas comuns de chamá-los) seguiu essa tendência, conhecida no mundo da eletrônica como Lei de Moore.

Essa previsão tornou-se uma "profecia autorrealizável" para a indústria de microeletrônica, e os fabricantes insistem em cumpri-la ano após ano. Claro, não se trata apenas de cumprir previsões, trata-se de buscar (e descobrir) os benefícios de tendências que têm uma quase “missão sagrada” para o setor. Quando você ler o artigo de Moore, ficará surpreso ao ver que as previsões que ele fez nele não apenas se tornaram realidade, mas o fizeram ano após ano por meio século. Em qualquer outro setor industrial, não é fácil encontrar uma “perseguição” previsível como esta.

Como resultado, os CIs experimentaram um crescimento sem precedentes nos anos seguintes desde sua introdução no final da década de 1950, inicialmente impulsionado pelo programa espacial dos EUA e pela indústria militar. Mais e mais transistores estão sendo feitos. Se o primeiro CI integrou dezenas de transistores, alguns anos depois existem milhares de CIs no mercado, e hoje existem bilhões de CIs transistorizados.

O número de transistores em um CI pode aumentar significativamente devido à tremenda evolução em seu processo de fabricação. A microeletrônica usa um processo que lembra parcialmente a produção em massa de automóveis, de modo que um grande número de circuitos completos idênticos podem ser replicados simultaneamente em uma única pastilha semicondutora de silício. O processo envolve essencialmente a impressão de múltiplos padrões geométricos na superfície do silício, o que permite definir cada dispositivo que o compõe e, em seguida, depositar seletivamente vários materiais isolantes e condutores para interligar adequadamente os diferentes componentes. Tudo isso é possível graças à verdadeira tecnologia de gargalo na fabricação de IC: a litografia.

O que a Lei de Moore realmente significa?

Para entender melhor as implicações da Lei de Moore, imagine o leitor voltando no tempo. Em 1971, esteja pronto para ouvir uma ópera em um auditório de 2.300 lugares com exatamente o mesmo número de transistores do 4004, o primeiro microprocessador que a Intel construiu naquele ano. Se a capacidade do auditório seguisse a Lei de Moore, mas não alterasse o espaço que ocupava e restaurava em 1982, 134.000 pessoas teriam se reunido no mesmo local – a capacidade de um grande campo de futebol e a capacidade de um processador Intel 286. Anos depois, em 2000, o auditório poderia abrigar toda a população de Tóquio - 37 milhões de pessoas, o mesmo número de transistores da última versão do processador Intel Pentium III -; se a audição tivesse sido realizada em 2011, teria encontrou 1,3 bilhão de pessoas - toda a população da China ou o número de transistores em uma das versões do processador Core i7 da Intel - um público de 7,4 bilhões de pessoas, ou toda a população do planeta, se comparecer em 2019 - e construiu no IBM z13 O número de transistores no controlador de memória. Por fim, se essa audição ocorresse em 2021, a capacidade seria equivalente a dois globos, já que teria que reunir 15 bilhões de pessoas, a contagem de transistores do processador Bionic A 15 (com o novo iPhone 13). Como mostrado abaixo. A população de todo o planeta - e o número de transistores embutidos no controlador de memória IBM z13. Por fim, se essa audição ocorresse em 2021, a capacidade seria equivalente a dois globos, já que teria que reunir 15 bilhões de pessoas, a contagem de transistores do processador Bionic A 15 (com o novo iPhone 13). Como mostrado abaixo. A população de todo o planeta - e o número de transistores embutidos no controlador de memória IBM z13. Por fim, se essa audição ocorresse em 2021, a capacidade seria equivalente a dois globos, já que teria que reunir 15 bilhões de pessoas, a contagem de transistores do processador Bionic A 15 (com o novo iPhone 13).

A rigor, a área de chip também aumentou um pouco ao longo dos anos, mas em uma proporção muito menor. Por exemplo, o Intel 4004 ocupa 12mm² (3mm x 4mm), enquanto o Bionic A 15 tem uma área de superfície de 107,7mm² (8,58mm x 12,55mm), então a relação do transistor é multiplicada por 6870.000, e a área é 9 .

Precisa fazer transistores cada vez menores

Integrar cada vez mais transistores em um chip significa reduzir seu tamanho, o que traz vantagens ao custo de aumentar a complexidade do processo de fabricação. Quanto menor o transistor, menor o chip em si e mais chips cabem em um wafer. Ao mesmo tempo, o custo de processamento de wafers permanece praticamente o mesmo, independentemente de quantos chips possam ser obtidos de cada wafer. Isso significa que reduzir o tamanho dos transistores resultará em chips mais baratos. Alternativamente, o chip pode permanecer do mesmo tamanho para que haja mais componentes dentro. Isso o torna mais poderoso, mas não caro. Mais importante ainda, reduzir o tamanho de um transistor pode melhorar seu desempenho sem aumentar o consumo de energia. Dito isso, os fabricantes de chips têm um forte incentivo para reduzir o tamanho dos transistores. Isso é exatamente o que eles têm feito nas últimas décadas, onde o número de transistores em um chip aumentou de milhares para bilhões. Este é um tamanho muito pequeno para um transistor. O diagrama abaixo mostra um desses transistores.

Para entender o que significa esse pequeno tamanho, imagine que expandimos o tamanho do chip que integra os transistores até ficar semelhante à área ocupada pela comunidade de Madri (8.000 quilômetros quadrados). Nesta escala, cada transistor ocupará ou área. 5 metros quadrados, o que equivale à área da tela de uma TV de 40 polegadas de diâmetro.

para concluir

O professor da Universidade de Purdue, Mark Lundstrom, que começou a trabalhar na indústria de chips na década de 1970, escreveu um artigo para a Science em 2003 prevendo que a Lei de Moore atingiria seu limite físico em 2015. Lundstrom disse que muitas vezes em sua carreira ele pensou: "Bem, acabou." Ele se lembra de ter participado de sua primeira conferência de fabricação de fichas em 1975. Em suas palavras, "Havia um cara chamado Gordon Moore que deu uma palestra. Ele era famoso no mundo da tecnologia, mas ninguém sabia quem ele era, e eu me lembro de sua palestra. "Em breve poderíamos estar em 10.000 transistores são colocados no chip. O que você pode fazer com 10.000 transistores em um chip? "

Hoje, existem 15 bilhões de transistores no mercado. O que seus designers e fabricantes podem fazer com eles?