The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

Tradutor: Carolina Aguirre Revisor: Maricene Crus

Computers used to be as big as a room.

Os computadores costumavam ser do tamanho de uma sala.

But now they fit in your pocket,

Mas agora cabem em nosso bolso,

on your wrist

em nosso pulso

and can even be implanted inside of your body.

e podem até mesmo ser implantados dentro do nosso corpo.

How cool is that?

Isso é muito legal, não é?

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

Isso foi possível pela miniaturização de transistores,

which are the tiny switches in the circuits

que são os pequenos interruptores nos circuitos

at the heart of our computers.

no coração dos nossos computadores.

And it's been achieved through decades of development

E isso foi alcançado através de décadas de desenvolvimento

and breakthroughs in science and engineering

e avanços na ciência e engenharia

and of billions of dollars of investment.

e de bilhões de dólares em investimento.

But it's given us vast amounts of computing,

Mas nos deu grandes quantidades de capacidade,

huge amounts of memory

enormes quantidades de memória

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

e a revolução digital que todos nós conhecemos e desfrutamos hoje.

But the bad news is,

Mas a má notícia é

we're about to hit a digital roadblock,

que estamos prestes a atingir um obstáculo digital,

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

conforme a taxa de miniaturização de transistores está diminuindo.

And this is happening at exactly the same time

E isso está acontecendo exatamente ao mesmo tempo

as our innovation in software is continuing relentlessly

em que a nossa inovação em software continua incansavelmente

with artificial intelligence and big data.

com inteligência artificial e grande volume de dados.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

Os dispositivos realizam reconhecimento facial, aumentam a nossa realidade

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

ou até mesmo dirigem carros pelas nossas estradas perigosas e caóticas.

It's amazing.

É incrível.

But if we don't keep up with the appetite of our software,

Mas se não acompanharmos o apetite do nosso software,

we could reach a point in the development of our technology

podemos chegar a um ponto no desenvolvimento da nossa tecnologia

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

em que as coisas que faríamos com o software poderiam, de fato, ser limitadas

by our hardware.

pelo nosso hardware.

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

Todos já experimentamos a frustração de um smartphone ou tablet antigo

grinding slowly to a halt over time

morrendo lentamente até parar ao longo do tempo

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

sob o peso cada vez maior de atualizações de software e novos recursos.

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

E eles funcionavam muito bem há pouco tempo quando os compramos.

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

Mas os engenheiros de software esfomeados consumiram toda a capacidade de hardware

over time.

ao longo do tempo.

The semiconductor industry is very well aware of this

A indústria de semicondutores está muito ciente disso

and is working on all sorts of creative solutions,

e está trabalhando em todo tipo de soluções criativas,

such as going beyond transistors to quantum computing

como ir além dos transistores para a computação quântica

or even working with transistors in alternative architectures

ou mesmo trabalhando com transistores em arquiteturas alternativas,

such as neural networks

como redes neurais,

to make more robust and efficient circuits.

para fazer circuitos mais robustos e eficientes.

But these approaches will take quite some time,

Mas essas abordagens levarão algum tempo

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

e estamos procurando uma solução muito mais imediata para esse problema.

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

A taxa de miniaturização de transistores está diminuindo

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

devido à complexidade cada vez maior do processo de fabricação.

The transistor used to be a big, bulky device,

O transistor costumava ser um dispositivo grande e volumoso,

until the invent of the integrated circuit

até a invenção do circuito integrado

based on pure crystalline silicon wafers.

baseado em pastilhas de silício cristalino puro.

And after 50 years of continuous development,

E depois de 50 anos de desenvolvimento contínuo,

we can now achieve transistor features dimensions

podemos alcançar dimensões de recursos de transistores

down to 10 nanometers.

de até 10 nanômetros.

You can fit more than a billion transistors

Podemos encaixar mais de um bilhão de transistores

in a single square millimeter of silicon.

em um único milímetro quadrado de silício.

And to put this into perspective:

E para colocar isso em perspectiva:

a human hair is 100 microns across.

um fio de cabelo humano tem 100 mícrons de espessura.

A red blood cell, which is essentially invisible,

Um glóbulo vermelho, que é essencialmente invisível,

is eight microns across,

tem oito mícrons de diâmetro

and you can place 12 across the width of a human hair.

e podemos colocar 12 na espessura de um fio de cabelo humano.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

Mas um transistor, em comparação, é muito menor,

at a tiny fraction of a micron across.

com uma pequena fração de um mícron de diâmetro.

You could place more than 260 transistors

Podemos colocar mais de 260 transistores

across a single red blood cell

através de um único glóbulo vermelho

or more than 3,000 across the width of a human hair.

ou mais de 3 mil na espessura de um fio de cabelo humano.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

É realmente incrível a nanotecnologia no nosso bolso nesse momento.

And besides the obvious benefit

E além do benefício óbvio

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

de poder colocar mais transistores menores em um chip,

smaller transistors are faster switches,

transistores menores são interruptores mais rápidos

and smaller transistors are also more efficient switches.

e também mais eficientes.

So this combination has given us

Então essa combinação nos deu

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

o menor custo, maior desempenho e maior eficiência eletrônica

that we all enjoy today.

que todos nós desfrutamos hoje.

To manufacture these integrated circuits,

Para fabricar estes circuitos integrados,

the transistors are built up layer by layer,

os transistores são construídos camada por camada,

on a pure crystalline silicon wafer.

numa pastilha de silício cristalino puro.

And in an oversimplified sense,

E em um sentido simplista,

every tiny feature of the circuit is projected

cada minúsculo recurso do circuito é projetado

onto the surface of the silicon wafer

sobre a superfície da pastilha de silício,

and recorded in a light-sensitive material

gravado em material sensível à luz

and then etched through the light-sensitive material

e, em seguida, gravado através do material sensível à luz,

to leave the pattern in the underlying layers.

para deixar o padrão nas camadas subjacentes.

And this process has been dramatically improved over the years

E este processo foi drasticamente melhorado ao longo dos anos

to give the electronics performance we have today.

para proporcionar o desempenho eletrônico que temos hoje.

But as the transistor features get smaller and smaller,

Mas conforme os recursos do transistor ficam cada vez menores,

we're really approaching the physical limitations

nos aproximamos das limitações físicas

of this manufacturing technique.

desta técnica de fabricação.

The latest systems for doing this patterning

Os sistemas mais recentes para fazer esse padrão

have become so complex

tornaram-se tão complexos

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

que custariam mais de US$ 100 milhões cada.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

E as fábricas de semicondutores contêm dezenas dessas máquinas.

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

Então as pessoas estão questionando: esta abordagem é viável a longo prazo?

But we believe we can do this chip manufacturing

Mas acreditamos que podemos fabricar os chips

in a totally different and much more cost-effective way

de uma maneira totalmente diferente e muito mais econômica

using molecular engineering and mimicking nature

usando engenharia molecular e imitando a natureza

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

nas dimensões nanoscópicas de nossos transistores.

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

Como eu disse, a manufatura convencional usa todos os recursos do circuito

and projects it onto the silicon.

e projeta-o no silício.

But if you look at the structure of an integrated circuit,

Mas se observarmos a estrutura de um circuito integrado,

the transistor arrays,

as matrizes dos transistores,

many of the features are repeated millions of times.

muitas das funcionalidades são repetidas milhões de vezes.

It's a highly periodic structure.

É uma estrutura altamente periódica.

So we want to take advantage of this periodicity

Então, queremos aproveitar essa periodicidade

in our alternative manufacturing technique.

em nossa técnica de fabricação alternativa.

We want to use self-assembling materials

Queremos usar materiais de automontagem

to naturally form the periodic structures

para formar naturalmente as estruturas periódicas

that we need for our transistors.

que precisamos para nossos transistores.

We do this with the materials,

Fazemos isso com os materiais,

then the materials do the hard work of the fine patterning,

que, então, fazem o trabalho duro da padronização fina,

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

ao invés de empurrar a tecnologia de projeção para seus limites e além.

Self-assembly is seen in nature in many different places,

A automontagem é vista na natureza em muitos lugares diferentes,

from lipid membranes to cell structures,

de membranas lipídicas a estruturas celulares,

so we do know it can be a robust solution.

então sabemos que pode ser uma solução robusta.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

Se é bom o suficiente para a natureza, deve ser bom o suficiente para nós.

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

Então, queremos pegar essa automontagem robusta e natural

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

e usá-la para a fabricação de nossa tecnologia de semicondutores.

One type of self-assemble material --

Um tipo de material de automontagem,

it's called a block co-polymer --

chamado de copolímero em bloco,

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

consiste em duas cadeias poliméricas com umas dezenas de nanômetros de comprimento.

But these chains hate each other.

Mas essas cadeias se odeiam.

They repel each other,

Elas se repelem,

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

muito parecido com óleo e água ou meu filho e minha filha adolescentes.

(Laughter)

(Risos)

But we cruelly bond them together,

Mas nós cruelmente os unimos,

creating an inbuilt frustration in the system,

criando uma frustração inerente no sistema

as they try to separate from each other.

conforme eles tentam se separar um do outro.

And in the bulk material, there are billions of these,

No material a granel, há bilhões deles,

and the similar components try to stick together,

os componentes similares tentam ficar juntos

and the opposing components try to separate from each other

e os componentes opostos tentam se separar um do outro, ao mesmo tempo.

at the same time.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

E isso tem uma frustração embutida, uma tensão no sistema.

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

Ele se move, se contorce até que surge uma forma.

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

E a forma natural de automontagem que surge é em nanoescala,

it's regular, it's periodic, and it's long range,

é regular, periódica e de longo alcance,

which is exactly what we need for our transistor arrays.

que é exatamente o que precisamos para nossas matrizes de transistores.

So we can use molecular engineering

Então podemos usar engenharia molecular

to design different shapes of different sizes

para projetar diferentes formas de diferentes tamanhos

and of different periodicities.

e diferentes periodicidades.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

Por exemplo, se pegarmos uma molécula simétrica,

where the two polymer chains are similar length,

em que as duas cadeias poliméricas são de comprimento semelhante,

the natural self-assembled structure that is formed

a estrutura automontada natural que é formada

is a long, meandering line,

é uma linha longa e sinuosa

very much like a fingerprint.

parecida com uma impressão digital.

And the width of the fingerprint lines

A largura das linhas da impressão digital

and the distance between them

e a distância entre elas

is determined by the lengths of our polymer chains

é determinada pelo comprimento de nossas cadeias poliméricas,

but also the level of built-in frustration in the system.

mas também pelo nível de frustração embutida no sistema.

And we can even create more elaborate structures

E podemos até criar estruturas mais elaboradas

if we use unsymmetrical molecules,

se usarmos moléculas assimétricas,

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

nas quais uma cadeia polimérica é significativamente mais curta que a outra.

And the self-assembled structure that forms in this case

E a estrutura automontada que se forma neste caso

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

está com as cadeias mais curtas formando uma bola apertada no meio,

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

e é cercada por cadeias poliméricas mais longas e opostas,

forming a natural cylinder.

formando um cilindro natural.

And the size of this cylinder

O tamanho deste cilindro

and the distance between the cylinders, the periodicity,

e a distância entre os cilindros,

a periodicidade,

is again determined by how long we make the polymer chains

é determinado por quanto tempo fazemos as cadeias poliméricas

and the level of built-in frustration.

e o nível de frustração embutida.

So in other words, we're using molecular engineering

Então, em outras palavras, estamos usando engenharia molecular

to self-assemble nanoscale structures

para automontar estruturas em nanoescala

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

que podem ser linhas ou cilindros do tamanho e periodicidade do nosso projeto.

We're using chemistry, chemical engineering,

Usamos química, engenharia química,

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

para fabricar os recursos em nanoescala que precisamos para nossos transistores.

But the ability to self-assemble these structures

Mas a capacidade de automontar essas estruturas

only takes us half of the way,

só nos leva até a metade do caminho,

because we still need to position these structures

porque ainda precisamos posicionar essas estruturas

where we want the transistors in the integrated circuit.

onde queremos os transistores no circuito integrado.

But we can do this relatively easily

Mas podemos fazer isso com relativa facilidade

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

usando estruturas de guia largas

que fixam as estruturas automontadas,

ancorando-as no lugar

anchoring them in place

and forcing the rest of the self-assembled structures

e forçando o resto das estruturas automontadas

to lie parallel,

a ficarem em paralelo,

aligned with our guide structure.

alinhado-as com a nossa estrutura de guia.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

Por exemplo, se quisermos fazer uma linha fina de 40 nanômetros,

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

que é muito difícil de fabricar com tecnologia de projeção convencional,

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

podemos fabricar uma estrutura de guia de 120 nanômetros

with normal projection technology,

com tecnologia de projeção normal,

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

e essa estrutura alinhará três das linhas de 40 nanômetros entre elas.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

Então os materiais estão fazendo o padrão fino mais difícil.

And we call this whole approach "directed self-assembly."

Chamamos toda essa abordagem de "automontagem dirigida".

The challenge with directed self-assembly

O desafio da automontagem dirigida

is that the whole system needs to align almost perfectly,

é que todo o sistema precisa se alinhar quase perfeitamente,

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

porque qualquer defeitozinho na estrutura pode causar uma falha no transistor.

And because there are billions of transistors in our circuit,

E porque há bilhões de transistores em nosso circuito,

we need an almost molecularly perfect system.

precisamos de um sistema quase molecularmente perfeito.

But we're going to extraordinary measures

Mas estamos tomando medidas extraordinárias para alcançar isto,

to achieve this,

from the cleanliness of our chemistry

da limpeza de nossa química

to the careful processing of these materials

ao processamento cuidadoso dos materiais

in the semiconductor factory

na fábrica de semicondutores

to remove even the smallest nanoscopic defects.

para eliminar até mesmo os menores defeitos nanoscópicos.

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

A automontagem dirigida é uma nova tecnologia inovadora,

but it is still in the development stage.

mas ainda está em fase de desenvolvimento.

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

Estamos crescendo na confiança de que podemos, de fato, introduzi-la

to the semiconductor industry

na indústria de semicondutores

as a revolutionary new manufacturing process

como um novo processo de fabricação revolucionário

in just the next few years.

nos próximos anos.

And if we can do this, if we're successful,

E se pudermos fazer isso, se formos bem-sucedidos,

we'll be able to continue

nós poderemos continuar

with the cost-effective miniaturization of transistors,

com a miniaturização econômica de transistores,

continue with the spectacular expansion of computing

continuar com a espetacular expansão da computação

and the digital revolution.

e da revolução digital.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

E mais, isso poderia ser o alvorecer de uma nova era

of molecular manufacturing.

de fabricação molecular.

How cool is that?

Isso é muito legal, não é?

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)