Nanotecnologia Empurrando os Limites da Computação com Velocidade e Eficiência

As tecnologias avançadas de computação estão fazendo grandes progressos rumo à obtenção de alta velocidade e baixo consumo de energia.

Os principais avanços neste campo incluem arquiteturas de silício inovadoras que utilizam designs em camadas para construir chips mais rápidos e menores a um custo menor. Enquanto isso, computação fotônica utiliza ondas de luz para processar e armazenar dados. Com a velocidade da luz simplesmente inigualável, isso pode oferecer alta velocidade e baixa latência.

Em seguida, há a computação biológica, onde a informação é codificada e armazenada em células biológicas, impulsionada pelos avanços na nanobiotecnologia. A computação quântica também oferece potencial significativo, resolvendo problemas complexos mais rapidamente que os computadores atuais ao aproveitar a superposição quântica, o emaranhamento e a interferência.

Além disso, a computação neuromórfica imita os sistemas neurais de nossos cérebros para realizar cálculos paralelos; a computação em nuvem move o processamento para locais remotos ou virtuais; e a computação de borda desloca o processamento de instalações centralizadas para mais próximo dos usuários finais.

Todos esses desenvolvimentos em tecnologia de computação, que se concentram em ferramentas e sistemas para processar, armazenar e comunicar dados, levaram a avanços sem precedentes em áreas como inteligência artificial (IA) e análise de dados.

Pesquisas contínuas na área têm levado a inovações constantes e rápidas nas técnicas de computação, com cientistas agora aprofundando ainda mais para alcançar resultados melhores, mais rápidos e mais eficientes.

Avanço na Fabricação a Laser em Nanoescala no Silício

Pesquisadores da Universidade Bilkent, Turquia, recentemente alcançaram um avanço ao desenvolver uma técnica para fabricar nanostruturas profundamente dentro de wafers de silício. 

O novo método permite a nanofabricação dentro do silício através da modulação espacial da luz e pulsos de laser, criando nanostruturas avançadas que beneficiarão a eletrônica e a fotônica.

O estudo focou no silício, a base da eletrônica, fotônica e fotovoltaica. Como semicondutor, a condutividade elétrica do silício está entre a de um isolante e a de um condutor puro. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, possuindo propriedades tanto metálicas quanto não metálicas. Além disso, as excelentes propriedades elétricas do silício, incluindo sua banda proibida relativamente pequena, o tornam um material importante na indústria de semicondutores.

No entanto, o silício tem sido limitado à nanofabricação de nível superficial devido às dificuldades impostas pelas técnicas litográficas existentes. Os métodos atuais são incapazes de penetrar a superfície do wafer sem causar alterações ou são restritos pela resolução da litografia a laser. Além disso, as técnicas existentes não permitem modulação de alta precisão em profundidade dentro do wafer. 

Se os dispositivos pudessem ser fabricados diretamente dentro do bulk deste metal sem alterar a superfície superior ou inferior do wafer, isso estabeleceria um novo padrão.

Claro, isso significa superar todos esses desafios de um limite de resolução de fabricação superior a 1 mícron enquanto simultaneamente se alcança controle multidimensional em nanoescala dentro do wafer. No entanto, fazer isso seria um avanço extraordinário, permitindo funcionalidades inovadoras de nanofotônica 3D e levando a metasuperfícies dentro do Si. 

A pesquisa mais recente passou a explorar feixes de laser modulados espacialmente e feedback anisotrópico de estruturas subsuperficiais pré-formadas para alcançar isso. Isso permitiu à equipe estabelecer a capacidade de nanofabricação controlada dentro do Si ao manipular a matéria em nanoescala. 

Para elaborar, a equipe da Bilkent abordou o desafio dos efeitos ópticos complexos dentro do wafer e o limite de difração inerente da luz laser utilizando o pulso de laser único, que foi criado ao modular o espacial. Os pulsos de laser modulados espacialmente correspondem a uma função de Bessel. 

Os efeitos de espalhamento óptico, que estavam obstruindo a deposição precisa de energia, foram então superados pela natureza não difratória do feixe de laser especial. Essa natureza não difratória é criada com técnicas avançadas de projeção holográfica, que permitem a localização precisa da energia. Isso leva a pressões e temperaturas suficientemente altas para modificar o material em um pequeno volume. 

De acordo com Onur Tokel, Professor do Departamento de Física:

“Nossa abordagem baseia-se em localizar a energia do pulso de laser dentro de um material semicondutor em um volume extremamente pequeno, de modo que se possa explorar efeitos emergentes de intensificação de campo análogos aos da plasmonica. Isso leva a controle subcomprimento de onda e multidimensional diretamente dentro do material.”

Ele acrescentou:

“Agora podemos fabricar elementos nanofotônicos enterrados no silício, como nanogrelhas com alta eficiência de difração e até controle espectral.”

Isso foi seguido por um efeito de semeadura emergente, onde nano-vazios realizados na subsuperfície criaram uma forte intensificação de campo em suas proximidades. Uma vez estabelecida, a intensificação de campo resultante se sustenta, o que significa que a criação de nanostruturas anteriores ajuda a fabricar as nanostruturas posteriores. 

Enquanto isso, o uso da polarização do laser proporcionou aos pesquisadores controle adicional sobre o alinhamento e a simetria das nanostruturas em nanoescala, permitindo o desenvolvimento preciso de diferentes nano-arranjos.

“Aproveitando o mecanismo de feedback anisotrópico encontrado no sistema de interação laser-material, alcançamos nanolitografia controlada por polarização no silício.”

– Autor principal do estudo, Dr. Asgari Sabet 

Este novo método de fabricação alcançou tamanhos de recurso tão pequenos quanto 100 nm, o que representa uma grande melhoria em relação aos regimes convencionais. 

Este estudo pode ter implicações consideráveis para sistemas em nanoescala com estruturas específicas ao demonstrar nanostruturação volumétrica de grande área com controle multidimensional e recursos além do limite de difração. Segundo os pesquisadores, os avanços futuros potenciais resultantes deste estudo podem incluir metamateriais, metasuperfícies, aplicações de processamento de informação e cristais fotônicos.

A pesquisa também demonstra um potencial substancial para integração com sistemas on-chip, sendo a capacidade de nanogrelha introduzida um passo em direção a esse objetivo. O estudo observa que também constitui a primeira fotônica de Si em múltiplas camadas.

No geral, o estudo introduziu “um novo paradigma de fabricação para o silício. A capacidade de fabricar em nanoescala diretamente dentro do silício abre um novo regime rumo a maior integração e fotônica avançada,” disse o Prof. Tokel. O próximo passo do estudo é investigar se a nanofabricação 3D completa no Si pode ser alcançada. 

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Nanomateriais Abrindo o Caminho para a Computação de Próxima Geração

Como vimos acima, os pesquisadores estão focando em nanostruturas para obter melhores resultados. A nanotecnologia trata do controle da matéria em nanoescala, variando de 1 a 100 nanômetros de tamanho. 

Em escala tão diminuta, podemos observar propriedades e comportamentos únicos dos materiais, permitindo que pesquisadores e engenheiros os manipulem para várias aplicações. Como resultado, a nanotecnologia tem amplas implicações em diversas indústrias, incluindo energia, eletrônica, medicina e ciência dos materiais.

Com grande potencial para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do mundo, a nanotecnologia tem evoluído rapidamente com avanços e descobertas contínuas, especialmente em computação e eletrônica. A nanotecnologia realmente contribuiu significativamente para grandes avanços nesses setores, que levaram a sistemas mais rápidos, menores e mais portáteis.

Por exemplo, nanomateriais como grafeno e nanotubos de carbono demonstraram potencial na criação de eletrônicos flexíveis e transparentes.

Nanostruturas transformaram os campos de semicondutores e computação ao melhorar as propriedades elétricas, ópticas e magnéticas dos materiais além de seus equivalentes em estado macroscópico.

Nesse contexto, estão sendo feitos progressos em computação e comunicação quântica usando qubits em nanoescala. Além disso, a pesquisa continua a desenvolver nanomateriais para baterias de alta capacidade e carregamento rápido e supercapacitores. Enquanto isso, avanços nas técnicas de fabricação em nanoescala estão permitindo a criação de dispositivos e componentes miniaturizados com desempenho poderoso.

Ao possibilitar o desenvolvimento de dispositivos menores e mais eficientes, como transistores e chips de memória em nanoescala, a nanotecnologia aumentou tremendamente o poder de computação e a capacidade de armazenamento, empurrando os limites da Lei de Moore.

A Lei de Moore referenciada aqui foi formulada por Gordon Moore, cofundador da Intel (INTC ), que postulou que o número de transistores em um único chip dobraria aproximadamente a cada dois anos, com aumento mínimo de custo.

Se analisarmos isso, foi na década de 1950 que os transistores começaram a substituir os tubos de vácuo como componente chave dos circuitos eletrônicos. Enquanto os transistores iniciais tinham tipicamente um centímetro de comprimento, logo foram medidos em milímetros.

Avançando para o início deste século, o tamanho foi reduzido para entre 130 e 250 nanômetros, apenas para ser reduzido ainda mais para apenas 14 nanômetros cerca de uma década atrás. Então, em 2015, a IBM reduziu esse tamanho à metade ao criar o primeiro transistor de sete nanômetros. Essa jornada rumo a transistores menores, porém melhores e mais rápidos, continua até hoje.

Nos últimos anos, o menor tamanho de transistor em produção foi reduzido para 3 nm, com a IBM anunciando um transistor de 2 nm em maio de 2021, que é menor que um fio de DNA. Focamos nos transistores porque eles são fundamentais para alimentar quase todos os dispositivos eletrônicos.

Curiosamente, quanto menores esses transistores ficam, menos energia consomem e mais rápidos se tornam. No entanto, muitos acreditam que só se pode reduzir algo por tanto tempo, e eventualmente não seremos capazes de continuar a miniaturização. É então que novos nanomateriais e tecnologia avançada serão necessários para melhorar nossos dispositivos.

Isso levou os cientistas a mudar seu foco para tecnologias como sistemas neuromórficos, que requerem o desenvolvimento de novos neurônios e sinapses artificiais que podem superar o desempenho dos circuitos CMOS padrão (semicondutor complementar de óxido de metal).

Ao usar neurônios e sinapses artificiais, esses computadores simulam como os cérebros humanos processam informações. Isso permite que eles reconheçam padrões, resolvam problemas e tomem decisões de forma mais eficiente e rápida que os computadores atuais. Embora esse campo ainda seja novo, ele mostra potencial em computação cognitiva, veículos autônomos e IA, onde velocidade e eficiência são importantes.

Os pesquisadores também estão explorando novas classes de materiais, como pontos quânticos e grafeno, para atender às necessidades da computação avançada. Estudos recentes exploraram a Automação Celular de Pontos Quânticos (QCA) para projetar computadores em nanoescala com melhorias tanto em velocidade quanto em eficiência.

Além do grafeno, materiais 2D como dicalcogenetos de metais de transição (2D-TMDs) estão sendo considerados para uso em semicondutores. A ampla área superficial deste material permite uma interação eficiente com a luz e aprimora sua capacidade de manipular a luz, enquanto sua mobilidade de portadores de carga incomum aumenta o desempenho do dispositivo. Sua durabilidade o torna resiliente para várias aplicações do mundo real. 

Conforme observado acima, a pesquisa mais recente que alcança nanofabricação dentro do silício também visa habilitar a próxima geração de chips baseados em silício com muito maior poder de processamento.

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Empresas que Trabalham em Tecnologia de Computação Avançada

Se considerarmos as empresas envolvidas neste campo, a Applied Materials (AMAT ) (AMAT) fornece tecnologia de nanofabricação para semicondutores avançados. A Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) desenvolve hardware de computação de alto desempenho e explora tecnologias de computação avançada.

A NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), conhecida por suas GPUs, também está fortemente investida em pesquisa de computação quântica. Os supercomputadores da Nvidia estão sendo usados para desenvolver sistemas de recozimento quântico para resolver problemas específicos. A NVIDIA, frequentemente referida como a ‘queridinha da IA’, viu suas ações subir 157% no ano até a data (YTD).

A empresa registrou vendas recordes de US$ 26 bilhões no 1T24, um aumento de 18% em relação ao trimestre anterior e 262% em relação ao ano anterior. A corporação também anunciou um desdobramento de ações de dez por um em 7 de junho de 2024, e aumentou seu dividendo em dinheiro trimestral para US$ 0,01.

Vamos agora dar uma olhada nas empresas que lideram a pesquisa em computação avançada, nanotecnologia e inovações no design de chips.

#1. IBM

A International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) é uma empresa de tecnologia popular que está envolvida em oportunidades de nuvem e IA. Seu foco está na pesquisa de computação quântica e no avanço da tecnologia de semicondutores.

No último ano, a empresa introduziu seu processador quântico de última geração, o IBM Heron, que possui 133 qubits de frequência fixa e uma melhoria de três a cinco vezes no desempenho do dispositivo.

De acordo com Jay Gambetta, VP da IBM Quantum:

“Todo o poder de usar computação quântica será impulsionado por IA generativa para simplificar a experiência do desenvolvedor.”

A empresa tem um valor de mercado de US$ 180,57 bilhões, e suas ações são negociadas a US$ 195,51, alta de 19,86% YTD. Seu rendimento de dividendos é 3,41%. No 2T24, a IBM reportou receita de US$ 15,8 bilhões, um aumento de 2% em relação ao ano anterior.

O fluxo de caixa livre, por sua vez, foi de US$ 2,6 bilhões, que a empresa elevou para US$ 12 bilhões na visão de ano inteiro, com US$ 1,5 bilhão devolvido aos acionistas em dividendos durante o período. A empresa encerrou o trimestre com US$ 16 bilhões em caixa, caixa restrito e valores mobiliários negociáveis. Enquanto destacava a expertise da IBM em IA empresarial e seu negócio de IA generativa crescendo para mais de US$ 2 bilhões desde o lançamento do Watsonx há um ano, o CEO da IBM, Arvind Krishna:

“Tivemos um segundo trimestre forte, superando nossas expectativas.”

#2. Intel Corporation

A Intel Corporation (INTC) inova em designs de chips e explora computação neuromórfica e quântica. Este fabricante de chips semicondutores é o inventor da série de microprocessadores x86, que são encontrados na maioria dos computadores pessoais. A empresa está atualmente trabalhando em recuperando sua vantagem na fabricação global de chips, para a qual recebeu financiamento por meio de subsídios e empréstimos do governo dos EUA.

Por meio da pesquisa neuromórfica, a Intel pretende acelerar o futuro da IA adaptativa co-projetando hardware otimizado com software de IA de próxima geração. Além disso, a Intel estabeleceu a Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Esse esforço colaborativo global une equipes de instituições de pesquisa, grupos acadêmicos, empresas e laboratórios governamentais para avançar a fronteira da IA inspirada no cérebro.

A empresa tem um valor de mercado de US$ 89,56 bilhões, e suas ações são negociadas a US$ 21,06, queda de 58,23% YTD. No 2T24, a Intel reportou resultados financeiros “decepcionantes”, com receita de US$ 12,8 bilhões, queda de 1% em relação ao ano anterior, enquanto o EPS non-GAAP foi US$ 0,02. A empresa anunciou a suspensão do dividendo a partir do quarto trimestre de 2024, reiterando seu “compromisso de longo prazo com um dividendo competitivo à medida que os fluxos de caixa melhoram para níveis sustentavelmente mais altos”.

Conclusão

Advanced computing, which focuses on new methods and technologies that drive innovative computing methods, is attracting significant interest from companies, researchers, engineers, and governments alike. After all, it is fundamental to cybersecurity, financial markets, and many other critical infrastructures. Moreover, the widespread use of AI is supported by advanced computing power, along with data, algorithms, and microchips.

A computação avançada, que se concentra em novos métodos e tecnologias que impulsionam métodos de computação inovadores, está atraindo interesse significativo de empresas, pesquisadores, engenheiros e governos. Afinal, é fundamental para a cibersegurança, mercados financeiros e muitas outras infraestruturas críticas. Além disso, o uso generalizado de IA é sustentado pelo poder de computação avançada, juntamente com dados, algoritmos e microchips.

Nas últimas décadas, os avanços na tecnologia de computação melhoraram significativamente o desempenho e a funcionalidade dos dispositivos que usamos regularmente, impulsionando assim o crescimento da economia digital. Dado seu impacto profundo na sociedade, a pesquisa e o desenvolvimento contínuos são imprescindíveis para atender às demandas de computação intensiva em energia e abrir caminho para a computação avançada, permitindo a criação de produtos e serviços que antes eram inimagináveis.

Clique aqui para uma lista das melhores ações de nanotecnologia.