Até quando os computadores ficarão menores e mais potentes?

Com informações da NSF - 28/08/2014

Será que alcançamos realmente os limites da atual tecnologia da computação?

Em um artigo de revisão publicado na revista Nature, Igor Markov, da Universidade de Michigan, avalia os fatores limitantes no desenvolvimento de sistemas computacionais na tentativa de determinar o que é possível fazer, identificar limites "não tão limitadores" e oportunidades viáveis para avanços através do uso de tecnologias emergentes.

O artigo resume e analisa as limitações nas áreas de fabricação e engenharia, design e validação, energia e calor, tempo e espaço, bem como na complexidade computacional.

"Dada a riqueza de conhecimento sobre os limites da computação, e as complicadas relações entre esses limites, é importante avaliar tanto as tecnologias dominantes quanto as emergentes em relação a esses limites," diz Markov.

Com a miniaturização, o que era um material sólido aparentemente uniforme torna-se uma rede de átomos cujo comportamento é governado pela mecânica quântica.
[Imagem: Igor L. Markov]

Os limites relativos aos materiais e aos processos de fabricação são imediatamente perceptíveis.

Em uma camada de material de dez átomos de espessura, a falta de um único átomo devido à imprecisão de fabricação muda os parâmetros elétricos em 10% ou mais. Projetos miniaturizados a esta escala levam inevitavelmente a limites associados com a física quântica.

Os limites relacionados com a engenharia são dependentes de decisões de design, habilidades técnicas e da capacidade de validar esses projetos.

Embora muito reais, esses limites são difíceis de quantificar. No entanto, uma vez que as premissas de um limite são compreendidas, os obstáculos à melhoria podem potencialmente ser eliminados. Um avanço desse tipo tem sido feito escrevendo softwares para automaticamente encontrar, diagnosticar e corrigir erros nos projetos de hardware.

Os limites relacionados à energia e à potência têm sido estudados por muitos anos, mas só recentemente projetistas de chips encontraram maneiras de melhorar o consumo de energia dos processadores, desligando temporariamente partes do chip.

• Computadores do futuro ficarão "normalmente desligados"

Pode não parecer, mas este é o mapa de um circuito integrado, com diferentes módulos mostrados em cores diferentes. Algoritmos especiais otimizam tanto os locais quanto as formas dos módulos - alguns módulos próximos podem ser mesclados para reduzir o comprimento dos fios de ligação.
[Imagem: Jin Hu/Myung-Chul Kim/Igor L. Markov (University of Michigan)]

Há muitos outros truques inteligentes para economizar energia durante o processamento. Mas, a longo prazo, os chips de silício não vão manter o ritmo de melhoria sem mudanças radicais. A física atômica - atomotrônica - sugere possibilidades intrigantes, mas elas estão muito além das capacidades de engenharia modernas.

Os limites relativos ao tempo e ao espaço podem ser sentidos na prática.

A velocidade da luz, embora seja um número muito grande, limita a velocidade com que os dados podem trafegar. Viajando através de fios de cobre e transistores de silício, um sinal não pode mais atravessar um chip atual em um ciclo de clock.

Uma fórmula que estabelece limites à computação paralela em termos de tamanho dos componentes, velocidade de comunicação e número de dimensões disponíveis já é conhecida há mais de 20 anos, mas só recentemente ela tornou-se importante, agora que os transistores são mais rápidos do que as interconexões.

Esta é a razão pela qual alternativas aos fios convencionais estão sendo desenvolvidas; enquanto isso, pode-se usar a otimização matemática para reduzir o comprimento dos fios por meio do rearranjo dos transistores e outros componentes.

Vários limites fundamentais relacionados à complexidade computacional têm sido atingidos pelos computadores modernos. Acredita-se que algumas categorias de tarefas computacionais são tão difíceis de resolver que nenhuma tecnologia proposta, nem mesmo a computação quântica, promete oferecer vantagens consistentes.

A imagem à direita mostra a localização física de um grande circuito integrado, com portas lógicas em azul e espaçadores em vermelho. O mapa de calor à esquerda mostra o congestionamento da fiação, um dos maiores limites físicos à computação.
[Imagem: Jin Hu/Myung-Chul Kim/Igor L. Markov (University of Michigan)]

Quando um limite específico é abordado e obstrui o progresso, a compreensão dos pressupostos adotados é fundamental para contornar o problema. A miniaturização dos chips vai continuar nos próximos anos, mas cada passo adiante irá se deparar com obstáculos sérios, alguns muito difíceis de contornar.

Mas estudar cada tarefa individualmente muitas vezes ajuda a reformulá-la para uma computação mais eficiente, recomenda Markov.

Novas tecnologias, novos limites

E quanto às tecnologias inovadoras?

Novas técnicas e novos materiais podem ser úteis de várias maneiras e podem potencialmente virar o jogo com respeito aos limites tradicionais. Por exemplo, os transistores de nanotubos de carbono oferecem melhor desempenho e podem potencialmente reduzir o retardo, diminuir o consumo de energia e diminuir as dimensões de todo o circuito.

Por outro lado, limites fundamentais - às vezes não previstos inicialmente - tendem a obstruir tecnologias novas e emergentes, de forma que é importante compreendê-los antes de prometer uma nova revolução em potência, desempenho e outros fatores.

"Entender esses limites importantes irá nos ajudar a apostar nas novas técnicas e tecnologias certas," conclui Markov.

Mais tópicos