Lei de Moore: por que estamos atingindo o limite teórico do poder do computador?

Hoje, a ASML Holding é uma empresa multinacional holandesa fundada em 1984, especializada no desenvolvimento e fabricação de máquinas de fotolitografia que são usadas para produzir chips de computador. Ela constrói uma das ferramentas mais avançadas e caras do mundo: uma única unidade custa centenas de milhões de dólares. E quando as empresas compram uma, também precisam de 250 engenheiros para instalar o dispositivo de 165 toneladas em um processo que normalmente leva meio ano.

Mas, apesar desse alto custo em tempo e dinheiro, muitos fabricantes de microchips querem desesperadamente uma dessas máquinas. A pergunta de cem milhões de dólares é: por quê?

A resposta tem a ver com algo chamado "Lei de Moore". Cunhada em 1965 pela primeira vez pelo cofundador da Intel, Gordon Moore, essa lei afirma que a cada 1 a 2 anos o número de transistores que podem caber em um chip de computador de determinado tamanho dobrará.

E, por extensão, o número aproximado de cálculos que o chip pode fazer por segundo também dobrará. Agora, essa lei não é uma lei física como a gravidade. É apenas uma tendência que Gordon observou no início dos anos 1960. Mas os fabricantes de chips transformaram essa tendência em uma meta e, por sua vez, os consumidores aprenderam a esperar que o progresso da computação continue nesse ritmo exponencialmente rápido.

O primeiro é o tamanho do transistor. Os transistores são basicamente interruptores liga/desliga, e esses blocos de construção da computação digital vêm encolhendo desde a década de 1960. Mas recentemente eles ficaram tão pequenos que a física quântica começou a interferir em suas funções.

Quando o interruptor de um transistor, ou gate, tem menos de 20 nanômetros, os elétrons podem criar um túnel ao longo dele continuamente, transformando um interruptor liga/desliga nítido em um dimmer nebuloso e maluco.

O segundo problema é o calor. À medida que os fabricantes de chips tornam os componentes menores e mais complexos, as linhas de cobre que passam entre eles precisam ser mais finas e longas. Isso aumenta sua resistência elétrica e gera alto calor que prejudica o desempenho do chip e não pode ser facilmente dissipado. Os chips de hoje já podem esquentar o suficiente para cozinhar um bife, e as temperaturas só devem aumentar sem novas inovações.

Embora ambos os problemas representem limites na física fundamental da fabricação de chips, os pesquisadores não pararam de tentar resolvê-los. Infelizmente, suas soluções geralmente exacerbam o terceiro grande problema: o impacto ambiental da fabricação de chips.

Por exemplo, trocar linhas de cobre por rutênio pode ajudar a compactar os transistores de forma mais firme e manter os chips menores e menos aquecidos, mas esse metal é muito mais escasso do que o cobre e exigiria uma nova infraestrutura de mineração.

Da mesma forma, a tecnologia usada atualmente para fazer os menores transistores de hoje requer enormes quantidades de energia e produtos químicos chamados substâncias perfluoroalquil e polifluoroalquil, que podem levar milhares de anos para se decompor no ambiente. Gerenciar esses três primeiros problemas contribui para o problema final: custo.

Para continuar a cumprir a "Lei de Moore", os fabricantes de chips precisam tornar os componentes individuais dos chips menores. E é aí que entra aquela máquina custosa de US$ 400 milhões da ASML. Essa maravilha da ciência de fabricação de chips dispara um fluxo de gotículas de estanho em uma câmara de vácuo antes de explodi-las com um laser de alta energia que vaporiza o estanho para criar plasma.

Por sua vez, o plasma emite um comprimento de onda de 13,5 nanômetros de luz ultravioleta que pode ser usado para produzir transistores incrivelmente pequenos. Esse feito notável de engenharia ajudou os fabricantes de chips a acompanhar a "Lei de Moore". Mas, à medida que os chips ficam mais densos, as complexas plantas de fabricação ficam mais caras.

Essa tendência tem sido tão consistente que ganhou o apelido de "Segunda Lei de Moore". Obviamente, todas essas trajetórias são insustentáveis. As plantas de fabricação não podem continuar aumentando de preço, nossos ecossistemas não podem suportar mineração e poluição sem fim, e é improvável que as leis da física mudem tão cedo.

Felizmente, a "Lei de Moore" é flexível, e não há razão para não introduzirmos novas metas para continuar fazendo a computação progredir de forma responsável com menos velocidade. Talvez pudéssemos introduzir uma nova Lei da Sustentabilidade?

Transistores menores já usam menos material e produzem menos lixo eletrônico, e os avanços na integração eletrônica-fotônica estão permitindo que os chips usem menos energia e gerem menos calor.

Então talvez os chips devam ser feitos duas vezes mais sustentáveis a cada vários anos? Seja qual for a resposta, nós fazemos as leis, então o futuro depende de nós. Devagar com o andor que o santo é de barro!