Processadores tridimensionais revolucionarão comunicação sem fios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2024

Estrutura (esquerda) e micrografia (direita) dos processadores espectrais 3D.
[Imagem: Faysal Hakim et al. - 10.1038/s41928-023-01109-5]

Processadores espectrais

Um novo método para usar a tecnologia padrão de semicondutores permitiu fabricar processadores que melhoram significativamente a eficiência da transmissão de grandes quantidades de dados.

A inovação, que mereceu a capa da revista Nature Electronics, promete transformar o panorama das comunicações sem fios, que tradicionalmente emprega processadores planares. Embora eficazes o suficiente para nos trazer até o presente estágio tecnológico, esses chips são limitados pela sua estrutura bidimensional, que os força a operar dentro de uma porção limitada do espectro eletromagnético.

A nova abordagem leva tudo para uma nova dimensão, literalmente: Os pesquisadores fizeram a transição dos processadores planares (2D) para tridimensionais (3D), inaugurando uma nova era de compactação e eficiência na transmissão de dados - transistores 3D já existem há muito tempo, mas aqui a tecnologia tem outras exigências.

Como operam com várias frequências, esses processadores tridimensionais estão sendo chamados pela equipe de "processadores espectrais". Além disso, eles ocupam menos espaço físico, oferecem melhor desempenho e têm escalabilidade indefinida, o que significa que podem acomodar demandas crescentes nas comunicações.

"Tirando proveito dos pontos fortes das tecnologias de semicondutores em integração, roteamento e empacotamento, conseguimos integrar diferentes processadores dependentes de frequência no mesmo chip. Este é um benefício enorme," disse o professor Roozbeh Tabrizian, da Universidade da Flórida, nos EUA.

Esta ilustração esquemática destaca a operação do processador espectral de aleta, onde o sinal agregado (representado pela luz branca) é decomposto em bandas constituintes em diferentes frequências (representadas por diferentes cores dos componentes).
[Imagem: Roozbeh Tabrizian]

Ressonador acústico

Como explicam os pesquisadores, para criar um processador espectral com frequência e largura de banda escaláveis, que permitam que o espectro das comunicações sem fio acompanhe a demanda, é necessária uma tecnologia de ressonador acústico que seja miniaturizado e que permita ajustar a frequência no chip.

Nos chips de telecomunicações, um ressonador acústico é usado para gerar as diversas frequências necesssárias para transmitir e receber os dados. Tipicamente eles são feitos de um material piezoelétrico, no qual um campo elétrico induz vibrações mecânicas e vice-versa, e as vibrações resultantes são convertidas novamente em sinais elétricos. O ressonadores acústicos planares são conhecidos como FBARs (sigla em inglês para ressonador acústico em massa de filme). Nos ressonadores 3D construídos agora, o componente gera modos acústicos com frequências na faixa de 3-28 GHz, que são definidas litograficamente pela largura da aleta, a parte protuberante, ou 3D, do componente.

"Para atingir ambos os requisitos, utilizamos a terceira dimensão geométrica para criar ressonadores acústicos não planares [3D] que ultrapassam os limites fundamentais dos equivalentes planares, para integração massiva e escalonamento de frequência. Assim como os transistores não planares (por exemplo, transistores de efeito de campo de aleta, ou FinFET), estender o volume funcional dos ressonadores acústicos para a terceira dimensão reduz a área ocupada pelo dispositivo e facilita a integração massiva sem degradar o desempenho," escreveu a equipe.

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