A ciência por trás dos chips: de um grão de areia a um supercomputador

Hoje em dia é difícil imaginar um mundo sem computadores. Eles são equipamentos tão difundidos que praticamente não notamos mais suas presenças, sendo que há muito tempo migraram dos volumosos desktops para nossos bolsos, pulsos, óculos, mudando nossa forma de interagir com o mundo e com as pessoas. Seu processador é responsável por fazer cálculos, processar imagens, sons, entradas dos usuários e praticamente tudo o que conseguirmos imaginar. E esses dispositivos hoje são tão baratos e confiáveis que são usados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos que usamos, de marcapassos a mísseis.

O momento atual é interessante para discutir como a ciência possibilitou o desenvolvimento dos processadores e da sociedade tecnológica atual porque, há poucos dias, comemoramos o aniversário de 100 anos de Alan Turing (23/06/1912), o matemático inglês que criou os princípios da lógica usada pelos computadores e construiu alguns dos primeiros equipamentos. Mas talvez ele seja mais lembrado por ter quebrado o código usado pelas máquinas criptográficas nazistas Enigma, salvando milhares de vidas durante a Segunda Guerra Mundial, e também, infelizmente, por ter se suicidado após ter sido julgado e condenado por homossexualidade, crime na Inglaterra nos anos 50. As bases matemáticas desenvolvidas por ele, conhecidas como algoritmos, ensinam como o sistema deve funcionar, recebendo, processando e devolvendo informação, mas os computadores eletrônicos ainda demorariam alguns anos para serem construídos.

A base dessa revolução tecnológica está no uso do silício, o elemento químico de que são feitos os processadores, muito parecido com o carbono. Mas poucos sabem que o silício é um dos elementos químicos mais abundantes do planeta - praticamente toda a crosta terrestre é feita de minerais do tipo silicato, da areia das praias às maiores montanhas. Antes de poder ser usado nos computadores, esse silício precisa ser transformado em um cristal ultrapuro, o que só foi possível há algumas dezenas de anos, por métodos de isolamento químico e fusão a altíssimas temperaturas. Nesse estado altamente organizado, o silício se torna um isolante elétrico, ou seja, não serve para conduzir eletricidade. Para ser usado nos chips, ele é novamente modificado, agora adicionando-se pequenas quantidades de outros átomos, como o boro ou fósforo, em um processo conhecido como dopagem. Esses átomos formam pequenos e controlados defeitos na estrutura, tornando o cristal condutor na medida certa – nem muito, nem pouco – formando o que chamamos de semicondutor, a propriedade perfeita para criar os elementos dos processadores, os transistores.

Todos queremos computadores mais rápidos, capazes de realizar mais tarefas ao mesmo tempo e com baterias que durem mais. Para isso, os processadores precisam ter um grande número de transistores altamente eficientes, que consumam pouca energia e produzam pouco calor. O primeiro processador comercial, o Intel 4004, tinha 2300 transistores e um clock de 0.1MHz, enquanto os chips atuais têm cerca de dois bilhões desses componentes, múltiplos núcleos de processamento paralelo e clock dezenas de milhões de vezes mais rápido. Isso foi possível graças aos avanços da nanotecnologia, que fez o tamanho dos transistores encolher mil vezes, de um décimo de um fio de cabelo até os atuais 22 namômetros - ou 1/4 do tamanho de um vírus da gripe.

O futuro dos processadores envolve a crescente miniaturização de seus componentes, sendo que, em 2022, espera-se atingir o limite de 4 nanômetros. Além disso, talvez tenhamos que usar tecnologias completamente diferentes das atuais, com o potencial de acelerar ainda mais o desenvolvimento da computação. Talvez abandonemos os microchips de silício completamente, para usarmos luz, nos chips óticos, que já estão em teste hoje. E estamos começando a desenvolver as bases da computação quântica, na qual usaremos não apenas 0s e 1s para fazer cálculos, mas toda uma superposição de estados entre eles. Em princípio, esses computadores terão uma capacidade de processamento muito maior que os atuais, e talvez sirvam de base para sistemas eletrônicos tão sofisticados que consigam imitar o comportamento de rede neurais complexas, como nossos próprios cérebros, em uma escala de tempo de apenas algumas dezenas de anos.

* Douglas Galante é pesquisador de Astrobiologia do Instituto de Astronomia da USP e colunista do Canaltech.