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Transitor 3D da Intel: entenda sua importância

10 de maio de 2011 | Em Dicas | 324 visualizações | Por

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Design deixa os competidores para trás. Entenda como ele funciona e porque todos os chips de computadores deverão usar esta tecnologia.

A Intel anunciou nesta quarta-feira (04/05) ter tornado a produção de transistores 3D em uma realidade comercial viável e afirmou que, ao fazê-lo, continuaria a atender ou superar a promessa da Lei de Moore para os próximos anos. O cofundador da empresa, Gordon Moore, concebeu que por meio de diversas inovações no processo – química e geométrica – era previsível que os transistores encolheriam e que os produtos concebidos se tornariam mais poderosos e mais baratos – ou ambos. Mas isso não significa que aderir a essa máxima seja fácil. Requer constante pesquisa e investimento  para descobrir e comercializar inovações.

intel 3dComo são usados em circuitos integrados, como microprocessadores, os transistores podem ser idealizados como comutadores: quando estão ligados, a corrente flui, quando desligados, ela para. O objetivo do design do transistor é a comutação perfeita, muita energia fluindo quando ligado, energia nenhuma quando desligado e que ele mude de estado rapidamente,  exigindo, para isso, pouca energia. Geralmente, quanto menor o transistor, menos energia ele precisa para realizar essas tarefas. Mas quanto menores eles ficam, seu comportamento passa de um comutador para uma válvula. As válvulas levam um tempo para fechar, podem vazar e, quanto mais coisa você deseje que passe por elas, maiores elas têm que ser.

Usando a analogia da válvula, pode-se imediatamente entender algumas obviedades dos transistores. Os que vazam são ruins e os menores, geralmente, abrem e fecham mais rápido que os maiores, mas deixas menos água (ou corrente, no caso dos transistores) passar. Eles escolheram a geometria, o processo de fabricação e os materiais usados para ir ao encontro da velocidade, consumo de energia e menor custo.

Transitores

Os chips nas CPUs dos primeiros PCs, projetados na década de 1970, tinham cerda de 3.500 transistores e usavam um processo de fabricação de 10 micrômetros. Agora, os chips têm certa de três bilhões de transistores e usam o processo de fechamento de 10 nanômetros, ficando quase um milhão de vezes menores que os da década de 1970. Para isso acontecer, quase tudo sobre a fabricação de chips mudou nesses 40 anos, mas uma coisa continuava a mesma – até agora – a natureza plana do processador.

A fabricação clássica de chips começa com o substrato, geralmente uma fatia de silício.  Para fazer transistores a partir dessa fatia, fabricantes passam por processos de depositar materiais e em seguida tirá-los. Cada camada de material é diferente, cada uma usa uma forma diferente para produzir a geometria desejada. O resultado do processo é um design plano – se desejar mais fluxo de corrente, aumenta-se o canal. Se desejar válvulas que fechem rapidamente, faça-as o menor possível, e por aí em diante.

A válvula, ou gate, é um material que fica em frente ao canal. Dependendo do estado do gate, o material do canal conduz melhor ou pior essa energia. Quando um transistor está desligado (sem campo elétrico presente), ainda passa corrente pelo canal. Isso é conhecido como vazamento de corrente, e até mesmo somente um pouco de vazamento não é boa notícia. Mesmo tendo pouco vazamento em um transistor, se for multiplicado por bilhões, a conta aumenta. Em servidores, isso resulta em aquecimento nos dispositivos portáteis, o que resulta em uma menor vida útil.

Basicamente, quanto menor o canal, maior a preocupação com o vazamento de corrente. Assim, se os fabricantes fazem gates menores, têm que ter mais cuidado para acertar na geometria. Duas das técnicas usadas para limitar o vazamento incluem silício e high-k dielétricos.
Como o objetivo é sempre colocar mais transistores em um chip, o canal não pode ficar mais largo, então a resposta é a vertical. Isso cria uma área maior de superfície entre o canal e o gate, permitindo um melhor controle de suas características. Além de permitir um melhor controle de vazamento da corrente, usar a vertical também permite operações mais rápidas do gate. Agora é possível fechar o canal de três lados – daí vem o nome tri-gate – em vem de apenas um. Alternativamente, a tensão de funcionamento pode ser reduzida, que é o que mais economiza energia quando o transistor – e portanto o dispositivo – está em seu estado ativo.

Problema

Apesar do conceito elegante, a vertical tem um problema. Não funciona muito bem no processo clássico de deposição e corrosão de material para criar o circuito integrado. Isto, junto com outros desafios materiais, é o que aparentemente a Intel resolveu de uma maneira que é comercialmente viável. Tão viável que usar seu design 3D não incorre em mais de 3% no custo.

A Intel tem uma vantagem sobre essa tecnologia, seus concorrentes estão pelo menos 24 meses atrás de sua conquista. Com a nova tecnologia, a tensão de operação do transistor, pode baixar, economizando energia e mantendo o desempenho. A empresa – bem como suas concorrentes – está se dirigindo para processos de 14nm, o que certamente irá exigir a geometria do transistor 3D para manter a dissipação de energia. A tecnologia 3D dos transistores capacita todos os fabricantes de chips. A boa notícia é que a lei de Moore segue seu curso.

De Ivaiporã/PR, Engenheiro de Computação, Administrador do Grupo Dicas em Geral. Apaixonado por Tecnologia e Informática.



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