Primeiro nanoprocessador programável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/02/2011

Esta imagem, feita por microscópio eletrônico, foi colorida artificialmente para mostrar os nanofios que compõem o primeiro nanoprocessador programável.
[Imagem: Charles M. Lieber, Harvard University]

Pesquisadores norte-americanos desenvolveram o primeiro nanoprocessador programável do mundo.

Embora todos os processadores atuais utilizem transistores com dimensões na faixa dos nanômetros, um nanoprocessador apresenta um conceito diferente.

Ele foi construído no formato "de baixo para cima", em sentido inverso ao do conceito tradicional de miniaturização, onde algo tem suas dimensões continuamente reduzidas - o chamado conceito "de cima para baixo".

Processador de nanofios

O protótipo do nanoprocessador programável foi feito com nanofios de germânio, cada um deles medindo 10 nanômetros de comprimento.

Isto representa um passo importante no aumento da complexidade dos circuitos que podem ser montados a partir de componentes sintetizados em escala nanométrica.

Seguindo o conceito proposto por Richard Feynman, há mais de meio século, espera-se que esses blocos básicos - os nanofios, neste caso - possam no futuro ser moléculas individuais.

O maior avanço agora demonstrado, porém, é que esses nanocircuitos podem ser programados eletronicamente para realizar uma série de operações aritméticas básicas e funções lógicas.

Nanoprocessador

Para construir o nanoprocessador, os cientistas colocaram os nanofios de germânio sobre uma pastilha de óxido de silício.

A seguir, eles aplicaram uma camada de óxidos metálicos e, por cima, construíram uma malha de fios metálicos que toca os nanofios em pontos específicos.

Quando uma alta tensão é aplicada à malha metálica, os cruzamentos individuais dos fios podem ser ligados e desligados, permitindo que os pesquisadores efetivamente programem a malha à vontade.

A seguir, usando uma tensão mais baixa, os nanofios de germânio por baixo da malha podem agir como transistores.

O nanoprocessador possui 496 transistores programáveis em uma área de 960 micrômetros quadrados - uma dimensão gigantesca em comparação com os transistores de nanofios individuais, mas o que reflete apenas as dificuldades iniciais para a construção de um protótipo.

O nanoprocessador consegue fazer operações de adição e subtração.

Para demonstrar que o conceito é escalável - pode ser ampliado - os pesquisadores usaram uma malha de nanotransistores para controlar as operações a serem feitas por uma segunda malha.

Segundo seus cálculos, os transistores de nanofios operaram com uma eficiência energética 100 vezes maior do que a apresentada pelos transistores atuais.

As etapas teóricas de fabricação do nanoprocessador, a partir dos nanofios de germânio.
[Imagem: Lieber Group]

Componentes cultivados

A construção do nanoprocessador programável foi possível graças aos contínuos avanços no projeto e na síntese dos nanofios.

Esses "componentes", que têm suas funções determinadas tanto por sua forma quanto por sua composição, estão alcançando o nível de reprodutibilidade necessário para permitir a construção de circuitos eletrônicos.

Como são "cultivados" - crescidos a partir de compostos cristalinos conhecidos como "sementes moleculares" - torna-se possível atingir dimensões e complexidades difíceis de serem alcançadas pelo método tradicional de fotolitografia.

"Durante os últimos 10 ou 15 anos, os pesquisadores que trabalham com nanofios, nanotubos de carbono e outras nanoestruturas têm lutado muito para construir apenas circuitos muito básicos, em grande parte devido às variações nas propriedades das nanoestruturas individuais," explica o professor Charles Lieber, da Universidade de Harvard, coordenador da pesquisa.

"Nós mostramos que esta limitação pode ser superada e estamos animados com as perspectivas de explorar o paradigma de baixo para cima da biologia na construção dos circuitos eletrônicos do futuro," diz ele.

O Dr. Lieber e seus colegas têm uma longa tradição na área, tendo sido pioneiros na construção de transistores de nanofios, no seu uso para medir sinais dentro de células e até em células solares de nanofios.

A volta por baixo por processadores

O fato de que as estruturas nanométricas, como os transistores de nanofios, podem ser montadas para formar um circuito maior - a chamada escalabilidade - sinaliza a possibilidade da montagem de nanoprocessadores cada vez maiores e com mais funcionalidades.

O nanoprocessador programável agora apresentado possui duas características adicionais importantes: seus circuitos exigem um mínimo de energia para funcionar e seus componentes operam como transistores não voláteis.

Isto significa que, uma vez programados, os transistores de nanofios não requerem nenhum gasto adicional de energia elétrica para manter a memória - os transistores atuais precisam estar constantemente energizados para manterem os dados.

Como desvantagem, os transistores apresentam uma grande perda de corrente, o que os torna pelo menos 10 vezes mais lentos do que os transistores estado da arte atuais.

Quando, os nanoprocessadores chegarão a substituir a plataforma atual de cima para baixo é algo ainda em aberto, embora a tendência pareça clara.

Antes disso, porém, esses circuitos ultraminiaturizados poderão ser úteis em equipamentos menos intensivos em processamento, como micro e nano robôs e dispositivos incorporados à roupa (roupas inteligentes e computadores de vestir), inclusive com funções biomédicas.

Para conhecer conceitos diferentes de nanoprocessadores, veja as reportagens:

• Processador quântico programável roda pela primeira vez
• Nanocérebro: cientistas criam processador químico capaz de controlar nanorrobôs

Mais tópicos