O primeiro computador digital eletrônico foi ligado em 1947, chamado ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator), era composto por 18 mil válvulas de vácuo. No mesmo ano da inauguração do ENIAC surgiu o transistor, desenvolvido nos laboratórios da Bell pelos pesquisadores norte-americanos Willian Schockley, Walter Brattain e John Bardeen.
Entendendo o funcionamento dos computadores
Um transistor tem três componentes: a “fonte”, que fornece a carga; o “dreno”, onde a carga tem que ser captada; e a “porta”, que quando aberta deixa a carga fluir para o dreno e, quando fechada, impede a passagem da carga. A porta fechada é o sinal “bit”- 0 e aberta é o “bit”-1 . É assim que os nossos computadores trabalham, nessa linguagem binária.
A criação e a evolução da indústria eletrônica
No final da década de 50, o engenheiro americano Jack Kilby inventou o circuito integrado planar, que deu origem aos chips. Essa invenção deu origem à maior revolução industrial do século XX: a indústria eletrônica!
Uma previsão feita na década de 60 pelo engenheiro Gordon Moore, conhecida hoje como Lei de Moore, afirmava que o número de transistores num chip duplicaria a cada 18 meses. Hoje um chip abriga bilhões de transistores, que fazem nossos computadores cada vez mais rápidos, como previsto por Moore. Entretanto, há uma limitação física para essa lei: conforme o tamanho do transistor vai diminuindo, alguns problemas vão surgindo, e ainda não temos como evitá-los.
Os problemas
A distância entre a fonte e o dreno está associada dimensão do transistor, que hoje é de aproximadamente 20 nanômetros. Entretanto, essa redução tem uma limitação, pois a partir de um certo ponto não adianta a porta estar fechada, pois haverá carga fluindo para o dreno. Ou seja, não há como fazer o “0”e “1”, já que teremos cargas fluindo. Fazzio explica: “É como uma represa: se abrimos a comporta, a água passa; se fechamos a comporta, não passa. Passar ou não passar são os nossos bits “0” e “1”. Se mesmo com a comporta fechada continuar passando água, é porque existe algum vazamento e, portanto, a comporta não serve mais. Nessa circunstância, não são mais controláveis as correntes de fuga, o “in/off”.”
Outro problema com a diminuição do tamanho e o maior número de transistores no chip é que a dissipação de calor será muito grande. Hoje, um chip pode abrigar bilhões de transistores.
As soluções
A lei de Moore parece que emperrou: a IBM e a Intel já preveem seu fim em 2021. Outras alternativas estão sendo exploradas, buscando sair do paradigma dos atuais transistores baseados no silício.
Vamos pensar no movimento dos elétrons: eles têm a carga negativa, localizada numa posição e mais um grau de liberdade que é o seu momento angular intrínseco, chamado de spin.
O spin pode assumir dois valores (vamos nos referir a eles como “up” ou “down”). Uma das alternativas para o funcionamento de computadores em tamanhos reduzidos é a utilização dos ”up” e “down” do spin dos elétrons, campo da física conhecido como spintrônica. E é aqui que entra a pesquisa dos cientistas brasileiros.
A pesquisa de Fazzio e Acosta
O trabalho do Acadêmico Adalberto Fazzio e do seu colega Carlos Mera Acosta, publicado no Physical Review Letters, trata de uma proposta para um transistor de spin baseado nos recém-descobertos “isolantes topológicos”.
Esses são materiais isolantes, mas tem superfície metálica, ou seja, condutora de carga elétrica. Eles são protegidos pelo que os físicos chamam de “reversão temporal” e o material utilizado no modelo também é protegido por “simetria cristalina”.
Para quem não é físico, estes termos não têm significado. Mas o que o trabalho dos físicos brasileiros significa é que agora esses elétrons podem transitar sem se espalhar e sem dissipação de energia. E outra caraterística importante é que os elétrons têm seu spin “up” e “down” bem definidos, ou seja, têm direções bem definidas. Nesses novos dispositivos, a “porta” não bloqueia elétrons, ela funciona de outra maneira: muda a propriedade do material, a simetria cristalina, permitindo selecionar o spin quando chega no dreno. Como não há bloqueio de carga, o transistor não esquenta. E como a porta não tem mais a ver com as dimensões físicas do transistor, o dispositivo será muito mais rápido.
É um significativo avanço para a ciência da computação.
Confira também a entrevista que o Acadêmico concedeu à Assessoria de Imprensa do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) sobre o tema: http://portal.if.usp.br/imprensa/pt-br/node/1906
