17/01/2013 12h14 - Atualizado em 17/01/2013 12h14

Transistores 'trigate': fechando a série

B. Piropo
por
Para o TechTudo

Como informei na coluna anterior, chegamos afinal à última desta série. Cujo objetivo, anunciado na primeira, publicada há pouco mais de seis meses, era atender à solicitação de um leitor que estava interessado em compreender o funcionamento dos transistores “trigate”, havia tentado se informar lendo artigos técnicos sobre o assunto e, como não logrou seu objetivo, achando que eu explico as coisas de uma maneira mais fácil de entender, pedia que o assunto fosse aqui abordado.

Ao fim e ao cabo, seis meses e vinte e sete colunas depois, me parece que talvez eu tenha exagerado. Por outro lado, como informação nunca é demais para quem está interessado, talvez não. O fato é que fizemos uma longa viagem iniciada nos tempos das válvulas, revimos a história dos transistores, seu funcionamento, a evolução de seus processos de fabricação ao longo do tempo, mencionamos alguns vultos históricos envolvidos no assunto e, finalmente, chegamos ao “trigate”. Foi uma longa jornada, é verdade, e quem estava interessado apenas no “trigate” talvez tenha ficado um tanto impaciente. Mas para quem tinha interesse em saber o que é e como funciona um transistor, talvez tenha sido interessante. O fato, porém, é que para tristeza dos que acompanhavam com prazer e para felicidade dos que já estavam cansados do assunto, fechamos hoje a série dando as últimas informações sobre os transistores “trigate”.

Figura 1: Diagrama esquemático do transistor trigateFigura 1: Diagrama esquemático do transistor trigate (Foto: Reprodução)

Aí está, na Figura 1, um diagrama esquemático de um transistor “trigate” em versão fornecida pela Intel. Ela está aqui não apenas para ilustrar melhor o assunto (as figuras da coluna anterior foram produzidas por este que vos escreve, cujas habilidades gráficas são bastante limitadas) como também porque nela aparecem os três contatos elétricos, o que aplica tensão à fonte, o que liga o dreno à terra e o que aplica tensão à porta.

Este diagrama esquemático representa algo cujas reais dimensões se situam na chamada escala nanométrica, onde as dimensões são medidas em milionésimos de milímetro (com efeito, como sabemos, a camada de silício usada para fabricar a geração atual de transistores “trigate” tem uma espessura de 22 nm e, ainda para este ano, a Intel pretende lançar mais uma geração cuja espessura da camada de silício não ultrapassará os 16 nm). Portanto é de se esperar que, no mundo real, as coisas não sejam assim tão regulares e os traços tão retilíneos. Veja então na Figura 2, também fornecida pela Intel, o aspecto real, em microfotografia, do interior de um transistor “trigate”.

Figura 2: microfotografias de transistores “trigate”Figura 2: microfotografias de transistores “trigate” (Foto: Reprodução)

Repare na parte superior da figura. Ela mostra um corte, efetuado ao longo da porta, onde se veem os finíssimos fios de silício (que no desenho estão assinalados como “Si nanowires”) que atravessam a porta. Percebe-se claramente (vá lá, não tão claramente assim; mas são perceptíveis) as ainda mais finas camadas de isolante “High-K” que recobrem sua parte superior e as duas laterais, assim como, abaixo deles, a camada de substrato de silício (em cinza claro) apoiada sobre a base de óxido (em cinza mais escuro, sob o Si).

Na parte inferior da figura vê-se uma estrutura onde estão assinalados a fonte (“Source”), o dreno (“Drain”) e o eletrodo da porta (“Gate Electrode”). É neste eletrodo que se aplica a tensão que se propagará por toda a porta (aquele trecho horizontal parecido com uma espinha de peixe no cento da imagem) e energizará – ou não, dependendo de haver ou não tensão aplicada à porta – todo o conjunto de condutores de silício que atravessa a porta. O que se vê, então, é um único transistor, formado por uma única fonte, um único dreno e uma única porta que é atravessada por diversos (na imagem, aparecem nove) condutores de silício, todos controlados pelo mesmo eletrodo. Veja uma microfotografia mais detalhada na Figura 3.

Figura 3: microfotografia detalhada de transistores “trigate”Figura 3: microfotografia detalhada de transistores “trigate” (Foto: Reprodução)

O processo de fabricação destas pequenas maravilhas tecnológicas ainda usa a sobreposição de camadas, ou seja, o processo em “wafers”, mas é bastante mais complicado que o usado na fabricação de seus antecessores. Na página do Intel Newsroom “From sand to Silicon – the making of a chip / 2 nm technology” pode-se encontrar uma animação que ilustra todo o processo de fabricação, do silício bruto até o processador embalado. A vantagem é que pode ser apreciado independentemente do conhecimento de qualquer idioma, posto que não há legendas nem locução: o único acompanhamento é musical. Por outro lado, nem sempre apenas acompanhar o processo sem qualquer explicação fornece os esclarecimentos necessários. Então aqui pode ser obtida uma apresentação no formato PDF – que pode, inclusive, ser assistida no próprio programa navegador caso o devido programa auxiliar (“plug in”) tenha sido instalado – com essencialmente a mesma explicação em figuras estáticas, porém acompanhadas de um texto elucidativo – infelizmente apenas em inglês. A apresentação tem como título “Making of a chip – Ilustrations – 22nm 3D/Trigate Transistors – Version” e é datada de janeiro de 2012, portanto relativamente atual (na verdade reflete o mais recente processo de fabricação, posto que o sucessor dos transistores de 22 nm ainda não entrou em processo de fabricação).

A quem estiver interessado no assunto, recomendo ambas as fontes. Sugiro, a quem tem conhecimento suficiente do inglês, a acompanhar primeiro a apresentação PDF lendo as legendas na base de cada “slide”. Depois, já com algum conhecimento sobre a tecnologia de fabricação, acompanhar a animação, um belíssimo trabalho e muito esclarecedora.

Aqui, não cabe uma explicação detalhada sobre o processo de fabricação. Mas vou tentar dar ao menos uma ideia de seu grau de complexidade.

Como vocês sabem, os processadores modernos contêm um número extraordinariamente grande de transistores. Os Ivy Bridge, fabricados com tecnologia de 22 nm, abrigam mais de um bilhão de transistores “trigate”, cada um deles com o aspecto mostrado na Figura 1.

Estes transistores são todos gerados na mesma superfície horizontal, ou seja, sobre a mesma base de silício (que, no caso, tem 22 nm de espessura). E precisam ser interligados. Quando descrevemos pela primeira vez o processo de fabricação em “wafer”, na coluna “Por dentro do processador”, mostramos que esta interligação é feita camada a camada, cada uma delas contendo um conjunto de condutores elétricos que interligam certos contatos. Vejam, na Figura 4, o grau de complexidade e o número de conexões elétricas para interligar apenas um conjunto de seis transistores (que podem ser identificados abaixo do entremeado de condutores elétricos).

Figura 4: Interconexões de seis transistoresFigura 4: Interconexões de seis transistores (Foto: Reprodução)

Esta aparente confusão interliga seis unidades. E estamos falando de bilhões delas…

Honestamente, não creio que a mente humana seja capaz de conceber algo com tamanho número de elementos e tal grau de complexidade. Porém podemos fazer uma pálida ideia examinando a Figura 5, capturada da animação da Intel acima mencionada, onde aparece uma concepção artística de parte da estrutura de interconexão no interior de um processador Ivy Bridge. Admire:

Figura 5: emaranhado de conexões elétricas no interior de um processadorFigura 5: emaranhado de conexões elétricas no interior de um processador (Foto: Reprodução)

Enfatizando: este é uma concepção artística do interior de um transistor de camada de silício de 22 nm extremamente ampliado. Quão ampliado? Bem, para que se tenha uma ideia, vejamos qual o aspecto do chip, com seus cerca de um e meio bilhão de transistor, na mão de Mark Bohr, um graduado técnico da Intel. Aqui está ele na Figura 6:

Figura 6: um chip de 22 nm, tamanho realFigura 6: um chip de 22 nm, tamanho real
(Foto: Reprodução)

A Figura 6 foi capturada do vídeo da Intel “Intel 22nm 3D Tri-Gate Transistor Technology” onde Bohrs, em linguagem simples, explica de forma bastante inteligível (e, evidentemente, extremamente resumida) quase tudo o que discutimos nesta série de colunas. Infelizmente a locução é feita em inglês. Se você se sente melhor acompanhando o inglês escrito que o falado, ao executar o vídeo repare que no canto superior esquerdo aparece um pequeno retângulo negro com um círculo vermelho e a palavra “Captions” (“legendas”). Um clique nele, o círculo se torna verde e aparecem legendas – infelizmente, apenas em inglês. De qualquer forma, recomendo assistir o vídeo mesmo para quem não tem familiaridade com o inglês. Especialmente se você acompanhou esta série de colunas.

Pois é isto. Acho que o que tinha que ser dito sobre transistores “trigate” foi dito e com sobras. Assim, fechamos esta série.

Agora, ou iniciaremos outra ou passaremos a escrever colunas avulsas por algum tempo.

O tema?

Ainda não escolhi.

E estou inteiramente aberto a sugestões.

Portanto, usem sem pena o espaço dos comentários para informar suas preferências.

B. Piropo

Seja o primeiro a comentar

Os comentários são de responsabilidade exclusiva de seus autores e não representam a opinião deste site. Se achar algo que viole os termos de uso, denuncie. Leia as perguntas mais frequentes para saber o que é impróprio ou ilegal.

recentes

populares

  • Zé Catimba
    2013-01-20T23:56:45

    Grande Piropo: Ficaria feliz se voltasse ao tema windows 8. O motivo é que começa a aparecer a seguinte questão: o Windows 8 que vem instalado nos equipamentos de fábrica é a versão limpa (integral)? Ou é um upgrade instalado em cima do Windows 7? Pergunto isto porque estou vendo que no Painel de Controle há uma peculiar e estranha opção para "Recuperação de Arquivo do Windows 7". Por quê esta opção? Qual a finalidade dela? Se o usuário não comprou equipamento com Windows 7, por que iria precisar dele? Por quê esta opção está aí? No meu entendimento mereceria uma explicação da Microsoft.

  • Paulo Cesar
    2013-01-18T18:27:30

    Mestre Piropo, gostaria muito que o tema da próxima série fosse "redes de computadores", abordando tudo sobre o assunto desde o mais trivial ao mais complexo. Todo material que encontrei na internet e em livros sobre este assunto tem lingugagem técnica em excesso e é difícil de compreender, o que tenho certeza que não aconteceria num texto seu por sua própria característica de escrever textos com linguagem de fácil compreensão.