14/09/2016 07h00 - Atualizado em 14/09/2016 07h00

O que é FinFET? Entenda como funciona tecnologia de transistor 3D

Filipe Garrett
por
Para o TechTudo

FinFET é um termo facilmente encontrado em especificações técnicas de processadores, SSDs, CPUs de tablets e celulares e placas de vídeo. Apesar de bastante presente, é possível que a maioria dos usuários não saibam como a tecnologia funciona e qual o papel do recurso em aparelhos eletrônicos e peças de armazenamento. 

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A seguir, entenda o que é FinFET e saiba como o transistor 3D funciona. Além disso, confira por que a tecnologia pode garantir avanço tecnológico. 

FinFET se refere a um tipo de transistor usado em microchips (Foto: Divulgação/Intel) (Foto: FinFET se refere a um tipo de transistor usado em microchips (Foto: Divulgação/Intel))FinFET se refere a um tipo de transistor usado em microchips (Foto: Divulgação/Intel)

O que é FinFET

FinFET é uma sigla para “Fin Field Effect Transistor”, que em uma tradução livre do inglês resulta em “transistor de efeito de campo nadadeira”. Parece confuso, mas na verdade é a tecnologia é simples, basta antes recordar alguns princípios. 

O primeiro deles é que, no interior de qualquer microchip, seja em memória RAM, SSD ou processador de diversos tipos, milhões e até bilhões de transistores residem, com distâncias entre os terminais medida sempre em nanômetros (nm). Esses componentes são responsáveis por transformar eletricidade em dados, como em uma chave liga/desliga que muda de estado com a passagem de corrente elétrica.

Assim, quando alguma empresa se refere a um processador como oriundo de um processado de manufatura, litografia ou arquitetura FinFET está na verdade se referindo diretamente a um arranjo em que os transistores do chip são organizados em estruturas 3D, com empilhamento. Por isso a tradução curiosa da tecnologia: é possível perceber um ressalto transversal no chip, que lembra uma nadadeira.

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Nanômetros e limites físicos

A partir do momento em que a indústria de semicondutores começou a ensaiar a criação de processadores com medidas inferiores a 30 ou 20 nanômetros, tornou-se mais difícil, e caro, fabricar chips de alta performance em escala industrial. Além disso, quanto mais diminui-se a distância entre terminais dos transistores, menos eficiente o silício (material em que a eletrônica digital se baseia) se comporta.

Hoje, a Intel fabrica seus melhores processadores em 14 nanômetros, mesma escala atualmente utilizada por Samsung na linha Exynos, pela Qualcomm nos Snapdragon e pela Apple nos A10 dos novos iPhones. A AMD também desenvolve processadores nessa medida, usada nas GPUs da arquitetura Polaris. A NVIDIA tem transistores um pouco maiores, em 16 nanômetros.

Tudo isso é muito pequeno. Um fio de cabelo, para você ter ideia, tem espessura que oscila entre 75.000 e 100.000 nanômetros. A molécula de DNA tem 2,5 nanômetros de comprimento de ponta a ponta.

Estima-se que a partir de 7 ou 5 nanômetros o silício, material com que tudo isso é fabricado, deixe de se comportar como semicondutor (que ora deixa, ora não deixa a eletricidade passar). Se isso realmente acontecer, significa que um transistor feito nessa escala não funcionará como a chave descrita anteriormente, acabando com a viabilidade do uso desse material na fabricação de microchips.

Mas por que diminuir?

Diminui-se a escala dos chips a cada geração porque, em geral, esse é o método mais rápido para criar produtos melhores. Quanto menor for a distância existente entre os terminais dos transistores no interior de um chip, menos distância a eletricidade precisa percorrer. Isso significa que o processamento de dados fica mais rápido.

Miniaturização de transistores é a chave para a criação de processadores e microchips cada vez mais econômicos e rápidos (Foto: Divulgação/Intel)Miniaturização de transistores é chave para a criação de microchips econômicos e rápidos (Foto: Divulgação/Intel)

Além disso, se a distância é menor, a eletricidade encontra menor resistência à sua passagem. Resistência à passagem da corrente elétrica é o que faz o seu celular esquentar quando você joga algo, ou faz seu notebook ficar quente e barulhento quando está editando algo no Adobe Photoshop, ou vendo um vídeo a 60 quadros por segundo no YouTube.

Outra vantagem do encolhimento dos chips é o ganho em área: se a distância entre transistores é menor, significa que é possível incluir mais alguns milhões deles no mesmo espaço ocupado pelo processador de geração anterior. O aumento do número de transistores é outro fator que contribui para o aumento bruto do poder de processamento de qualquer tipo de microchip. Por uma série de motivos, em geral, o encolhimento das sucessivas arquiteturas também tende a diminuir custos de fabricação.

O aumento de performance e a queda de consumo/desperdício são princípios fundamentais que regem toda a indústria dos semicondutores desde que a tecnologia toda foi inventada. Afinal, se a Intel, AMD, Nvidia, Apple, Samsung, Qualcomm e etc aparecerem no ano que vem com novos processadores e placas que apresentam a mesma performance e consumo daqueles lançados neste ano, ninguém terá muito interesse em comprá-los.

Um ponto que também deve ser ressaltado é que se a indústria de hardware não avança, criadores de games, aplicativos e software em geral, além de inovações como óculos de realidade virtual, não terão base nenhuma para colocar suas ideias em prática. O avanço da tecnologia depende do progresso do hardware de forma decisiva e espremer transistores ainda é a melhor forma para garantir isso.

A necessidade do transistor “nadadeira”

Já se sabe que FinFET é um termo que se refere a chips (processadores, GPUs e SSDs sendo os mais comuns) que usam transistores 3D, com uma estrutura em seu design que lembra uma nadadeira. Sabe-se também que a invenção desse tipo de tecnologia se deu em decorrência do fato de que tanto quanto mais se encolhem os transistores em novas gerações de microchips, mais desafiadora se torna a fabricação desses produtos e os ganhos de performance podem se tornar cada vez menos perceptíveis. Há, ainda, o risco de que ir além dos 7 nanômetros se torne inviável fisicamente.

Parede de silício (na cor cinza e destacada na imagem) é a tal nadadeira do transistor FinFET (Foto: Divulgação/Intel)Parede de silício (na cor cinza e destacada na imagem) é a tal nadadeira do transistor FinFET (Foto: Divulgação/Intel)

Todo esse cenário obscuro, que ameaça o progresso tecnológico, já foi visto há bastante tempo por engenheiros e cientistas. A criação dos transistores FinFET foi uma resposta desenvolvida, especialmente por Intel e Samsung, para combater a primeira série de problemas que a constante miniaturização dos microchips vinha provocando.

O problema era o seguinte: ao reduzir da casa dos 30 para os 20 nanômetros, a indústria detectou um problema sério com os transistores: como os terminais ficavam fisicamente muito próximos um do outro, poderia ocorrer salto de energia involuntário entre um ponto e outro. Se o transistor estivesse posicionado no estado “0”, de desligado, essa passagem seria equivalente a uma tremenda tela azul no seu PC.

Na prática, o que aconteceria é que a chavinha estava definida para impedir a passagem de eletricidade. Só que como a distância era pequena, a corrente fluiu mesmo assim.

Na foto à esquerda, realizada com microscópio, você vê os transistores 2D. À direita, os transistores FinFET (ou Tri-Gate, como chama a Intel), cortados pela barbatana (Foto: Divulgação/Intel)À esquerda: transistores 2D. À direita: transistores FinFET (ou Tri-Gate), cortados pela "barbatana" (Foto: Divulgação/Intel)

Foi aí que engenheiros da Intel decidiram criar um transistor tridimensional. Em vez da estrutura plana, achatada, em 2D, criaram a barbatana mostrada no diagrama para colocar uma barreira física a esses saltos involuntários de energia, evitando assim que fugas de corrente comprometessem o funcionamento do chip.

Esse princípio, que a Intel chama de transistor Tri-Gate, estreou na arquitetura Ivy Bridge de 2012, também lembrada como “terceira geração” dos processadores Intel, que é de 22 nanômetros contra os 32 nm da Sandy Bridge, de 2011.

Como o mesmo problema acabou confrontando todo mundo que realizou o salto de 30 para 20 e menos nanômetros, a ideia de transistores tridimensionais acabou se tornando a solução ideal para dar mais fôlego para o uso do silício na construção de processadores, controladores placas, memórias e etc.

FinFET é o futuro, mas até quando?

FinFETs estão garantidos nos próximos processadores, SSDs e placas (Foto: Filipe Garrett/TechTudo)FinFETs estão garantidos nos próximos processadores, SSDs e placas (Foto: Filipe Garrett/TechTudo)

Embora ninguém tenha uma ideia clara a respeito do que fazer se o silício se mostrar inviável a partir de certa escala, sabe-se que até chegar lá o conceito de transistores tridimensionais do estilo FinFET vai continuar em uso.

No final de 2017, a Intel pode colocar no mercado a oitava geração dos processadores Core i, chamada de Cannon Lake, com um processo de manufatura de 10 nm, perigosamente perto dos limites teóricos do silício. Outros fabricantes desenvolvem maquinário e laboratórios para fabricar chips nessa escala também a partir de 2018 e 2019.

Essa janela garante que o FinFET estará no meio de nossos eletrônicos por mais algum tempo. Mas, caso o uso do silício se torne impossível a partir de escalas menores, é possível que esse tipo de tecnologia dê espaço para outros avanços, como o uso de nanotubos de carbono, grafeno e outros materiais exóticos na fabricação de microchips.

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  • Bezerra Silva
    2016-10-10T11:03:09

    Interessante.

  • Yuji Kuroda
    2016-09-14T15:59:59  

    Bem interessante a matéria. Sempre encontramos meios de produzir componentes cada vez menores, mas parece que dessa vez o silício será um obstáculo.

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    • Yuji Kuroda
      2016-09-14T15:59:59  

      Então Yuji - li uma matéria, não sei se foi aqui ou não mas parece que o silício está com os dias contados e será substituido por "nano tubos de carbono" - pelo menos o nome é bem chic