13/12/2012 15h30 - Atualizado em 13/12/2012 15h30

A barreira dos 100 nanômetros

B. Piropo
por
Para o TechTudo

A principal razão que levou os fabricantes de microprocessadores a reduzir o tamanho de seus componentes não foi, como seria de esperar, a busca pela miniaturização dos dispositivos eletrônicos. Esta seria alcançada simplesmente pelo fato de que o tamanho de um transistor, mesmo os que usavam a tecnologia de fabricação pioneira, anterior ao processo “planar”, é quase insignificante se comparado ao tamanho das válvulas que vieram a substituir – que o digam aqueles que conheceram os primeiros rádios transistorizados a chegar ao Brasil, os famosos Spica que invadiram o mercado nacional no final dos anos 50 do século passado e que assombravam pela pequenez: cabiam na palma de uma mão aberta…

Como vimos na coluna anterior, o que levou a indústria a diminuir o tamanho dos microprocessadores foi baixar a resistência elétrica dos transístores visando reduzir a dissipação de calor que tendia a crescer na medida em que aumentava a frequência de operação. Portanto, o que fez os transistores diminuírem foi a busca pelo aumento da rapidez de processamento.

Isto, naturalmente, foi percebido cedo. Tanto assim que o primeiro microprocessador, o 4004 fabricado pela Intel em 1971, para rodar em sua frequência de 108 KHz, já tinha seus 2.300 transistores moldados em uma camada de silício de apenas dez micra de espessura, o que corresponde a um centésimo de milímetro, uma espessura muito menor que a de um fio de cabelo humano (micra é o plural de mícron, cujo símbolo é “µ” e corresponde a um milésimo de milímetro). E o Intel 8088, fabricado em 1975 e usado para equipar o primeiro PC, já adotava uma tecnologia de fabricação em camada de silício de 3 µ de espessura para conter seus 29.000 transistores operando a 4,77 MHz.

Mas 3 µ, para os dias de hoje e guardadas as devidas proporções, é uma espessura “enorme”. Que rapidamente se adelgaçou. O Intel 386 de 1985, cujo modelo mais rápido operava a 33 MHz, já estampava seus 275.000 transistores em uma camada de silício de (para a época, inacreditável) 1 µ, um milésimo de milímetro de espessura.  Barreira que foi logo quebrada quando se entrou na era dos nanômetros (um nanômetro, cujo símbolo é “nm”, corresponde a um milésimo de mícron, portanto a um bilionésimo de milímetro).O responsável foi o Intel 486DX lançado em 1989 com seus 1,2 milhões de transistores rodando a 50 MHz em uma camada de silício de apenas 800 nm.

Figura 1: Gordon MooreFigura 1: Gordon Moore (Foto: Reprodução)

Foi por antever esta tendência que Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, forjou sua hoje famosa “Lei de Moore”. Disse ele, ainda em 1975: “Não vejo razão para esperar que a taxa de progresso no uso de menores dimensões nos circuitos complexos decresça no futuro próximo… A nova curva deverá, aproximadamente, dobrar [o número de transistores nos circuitos] a cada dois anos”.

Note que esta previsão foi feita em 1975, há quase quarenta anos, na pré-história da eletrônica de estado sólido, baseada apenas nas tendências da então incipiente era dos CIs e na genialidade de Moore. Não obstante, considerando pequenas correções (que levaram em conta a aceleração, não o decréscimo da taxa de crescimento), ela vem se mostrando notavelmente precisa até os dias de hoje. O que pode ser observado claramente no gráfico da Figura 2, fornecido pela Intel no seu fórum de desenvolvimento de 2005 na Califórnia.

Figura 2: 40 anos da Lei de MooreFigura 2: 40 anos da Lei de Moore (Foto: Reprodução)

O gráfico mostra o ano no eixo horizontal e, no vertical, o número de transistores contidos nos diferentes modelos de processadores fabricados ao longo do período (os últimos cinco anos são uma projeção da tendência, uma vez que o gráfico foi distribuído em 2005). A escala do gráfico é semi-exponencial. Isto significa que, enquanto cada deslocamento no eixo horizontal corresponde a um intervalo fixo de dez anos, ou seja, um período de tempo igual a cada passo, o deslocamento no eixo vertical corresponde a um crescimento de dez vezes o do passo anterior. Portanto, de acordo com as previsões de Moore, enquanto o número de transistores contidos nos processadores fabricados entre 1970 e 1980 se situava na casa dos milhares, o os fabricados a partir de 2010 se situa na casa dos bilhões. E as previsões se mostraram notavelmente corretas: o Intel Xeon de dez núcleos, o processador de maior número de transistores disponível hoje no mercado, contém 2,5 bilhões de transistores.

É óbvio que isto exigiu um adelgaçamento cada vez maior da camada de silício onde são gravados os transistores conforme o processo descrito na coluna “Por dentro do processador”. E este adelgaçamento exigiu que barreiras fossem rompidas, tecnologias fossem aperfeiçoadas e novos materiais fossem usados.

Por exemplo: durante os anos 90 do século passado havia quem acreditasse que o limite do tamanho dos transistores seria imposto pela tecnologia de fotolitografia, a projeção da estrutura do transistor na superfície fotossensível que recobre cada camada do “wafer”. Avanços na tecnologia ótica de precisão superaram esta barreira e, em 1995 o Pentium Pro já usava uma camada se silício de apenas 350 nm para abrigar seus 5,5 milhões de transistores operando a 200 MHz. E, quatro anos depois, o Pentium III geração Coppermine chegava aos 180 nm com 9,5 milhões de transistores operando em até 700 MHz.

Figura 3: um “wafer” de 30 cm com seus processadores gravadosFigura 3: um “wafer” de 30 cm com seus processadores gravados (Foto: Reprodução)

Neste ponto, foi preciso atuar sobre os materiais que constituíam os componentes internos do próprio chip. O alumínio, metal até então usado nas finíssimas conexões elétricas internas do processador, teve que ser substituído pelo cobre, mais difícil de trabalhar porém muito melhor condutor de eletricidade. O que aproximou a tecnologia de fabricação de processadores da barreira do décimo de mícron: em 2001, usando conexões internas de cobre, foram fabricados diversos processadores em camada de silício de 130 nm, inclusive o Pentium 4 com seus 44 milhões de transistores operando na frequência de 1,6 GHz. Foi também nesta época que a Intel passou a fabricar processadores em “wafers” de 30 cm de diâmetro – até então eles eram fabricados em camadas de silício circulares com diâmetro de 20 cm – ganhando bastante na economia de escala. Veja, na Figura 3, foto obtida em 2002 em um evento da Intel, este que vos escreve segurando um dos primeiros exemplares de “wafer” de 30 cm e camada de silício de 130 nm.

E foi então que se alcançou à barreira dos 100 nm na espessura da camada de silício.

Não dava para descer além deste patamar usando métodos convencionais.

Para rompê-la foi necessário atuar sobre o próprio silício e seus derivados no coração do processador.

Na próxima coluna veremos as razões que levaram a isto, os problemas a serem contornados e as soluções encontradas.

B. Piropo

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