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

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TED


Por favor, faça duplo clique nas legendas em inglês abaixo para reproduzir o vídeo.

Tradutor: David Serrano Jurado Revisora: Margarida Ferreira
00:13
Computers used to be as big as a room.
0
13246
3584
Os computadores costumavam ser do tamanho de uma sala.
00:16
But now they fit in your pocket,
1
16854
1592
Mas agora cabem no nosso bolso,
00:18
on your wrist
2
18470
1171
no nosso pulso
00:19
and can even be implanted inside of your body.
3
19665
3319
e até podem ser implantados dentro do nosso corpo.
00:23
How cool is that?
4
23008
1281
Não é fantástico?
00:24
And this has been enabled by the miniaturization of transistors,
5
24809
4337
E isso é possível, graças à miniaturização dos transístores,
00:29
which are the tiny switches in the circuits
6
29170
2492
que são os pequenos interruptores nos circuitos
00:31
at the heart of our computers.
7
31686
1776
no coração dos nossos computadores.
00:34
And it's been achieved through decades of development
8
34051
3172
Conseguimos isso graças a décadas de desenvolvimento
00:37
and breakthroughs in science and engineering
9
37247
2798
e de avanços na ciência e na engenharia
00:40
and of billions of dollars of investment.
10
40069
2672
e a milhares de milhões de dólares em investimento.
00:43
But it's given us vast amounts of computing,
11
43352
2748
Isso deu-nos grandes quantidades de computação,
00:46
huge amounts of memory
12
46124
1805
grande quantidade de memória
00:47
and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
13
47953
4942
e a revolução digital que todos experimentamos e apreciamos hoje.
00:53
But the bad news is,
14
53665
2768
Mas o problema
00:56
we're about to hit a digital roadblock,
15
56457
3132
é que estamos prestes a atingir um obstáculo digital,
00:59
as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.
16
59613
4350
porque o ritmo de miniaturização dos transístores
está a diminuir de velocidade.
01:04
And this is happening at exactly the same time
17
64471
2874
Isso está a acontecer exatamente na mesma altura
01:07
as our innovation in software is continuing relentlessly
18
67369
3998
em que a inovação em "software" continua incansavelmente
01:11
with artificial intelligence and big data.
19
71391
3760
com a inteligência artificial e os grandes volumes de dados.
01:15
And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality
20
75175
5040
Os nossos dispositivos executam regularmente
o reconhecimento facial, aumentam a nossa realidade
01:20
or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.
21
80239
4225
ou até mesmo dirigem carros nas estradas traiçoeiras e caóticas.
01:24
It's amazing.
22
84959
1207
É incrível!
01:26
But if we don't keep up with the appetite of our software,
23
86618
4667
Mas se não acompanharmos o apetite do nosso "software",
01:31
we could reach a point in the development of our technology
24
91309
3787
podemos chegar a um ponto no desenvolvimento da nossa tecnologia
01:35
where the things that we could do with software could, in fact, be limited
25
95120
4210
em que as coisas que podíamos fazer com o "software"
podem ficar limitadas pelo "hardware".
01:39
by our hardware.
26
99354
1271
01:41
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet
27
101075
4508
Todos nós já experimentámos a frustração de um "smartphone" ou "tablet" antigos
01:45
grinding slowly to a halt over time
28
105607
3164
a funcionar lentamente até parar por completo
01:48
under the ever-increasing weight of software updates and new features.
29
108795
3975
sob o peso crescente das atualizações do "software" e de novos recursos.
01:52
And it worked just fine when we bought it not so long ago.
30
112794
3383
Funcionavam muito bem quando os comprámos, há pouco tempo.
01:56
But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity
31
116201
4510
Mas os famintos engenheiros de "software"
consumiram toda a capacidade do "hardware"
02:00
over time.
32
120735
1306
ao longo do tempo.
02:03
The semiconductor industry is very well aware of this
33
123883
3612
A indústria de semicondutores está plenamente consciente disso
02:07
and is working on all sorts of creative solutions,
34
127519
3884
e está a trabalhar em todo o tipo de soluções criativas,
02:11
such as going beyond transistors to quantum computing
35
131427
4311
como passar dos transístores para a computação quântica
02:15
or even working with transistors in alternative architectures
36
135762
4212
ou mesmo trabalhar com transístores com arquiteturas alternativas
02:19
such as neural networks
37
139998
1603
como redes neurais
02:21
to make more robust and efficient circuits.
38
141625
3013
para tornar os circuitos mais robustos e eficientes.
02:25
But these approaches will take quite some time,
39
145270
3339
Mas essas abordagens vão demorar um pouco
02:28
and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
40
148633
4627
e estamos a procurar uma solução muito mais imediata para este problema.
02:34
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down
41
154899
4782
A razão por que o ritmo da miniaturização dos transístores está a diminuir
02:39
is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.
42
159705
4686
é a crescente complexidade do processo de fabrico.
02:45
The transistor used to be a big, bulky device,
43
165142
3250
O transístor costumava ser um dispositivo grande e volumoso,
02:48
until the invent of the integrated circuit
44
168416
3309
até à invenção do circuito integrado
02:51
based on pure crystalline silicon wafers.
45
171749
2691
à base de bolachas de silício cristalino puro.
02:54
And after 50 years of continuous development,
46
174946
2779
Ao fim de 50 anos de desenvolvimento contínuo,
02:57
we can now achieve transistor features dimensions
47
177749
3373
agora podemos fabricar transístores
com uma dimensão até 10 nanómetros.
03:01
down to 10 nanometers.
48
181146
2529
03:04
You can fit more than a billion transistors
49
184361
2437
Podemos encaixar mais de mil milhões de transístores
03:06
in a single square millimeter of silicon.
50
186822
2963
num só milímetro quadrado de silício.
03:10
And to put this into perspective:
51
190273
2022
Para colocar isto em perspetiva,
03:12
a human hair is 100 microns across.
52
192319
3826
um cabelo humano tem 100 mícrones de diâmetro.
03:16
A red blood cell, which is essentially invisible,
53
196169
2519
Um glóbulo vermelho, que é praticamente invisível,
03:18
is eight microns across,
54
198712
1599
tem oito mícrones de diâmetro,
03:20
and you can place 12 across the width of a human hair.
55
200335
3400
e podemos colocar 12 alinhados na largura de um cabelo humano.
03:24
But a transistor, in comparison, is much smaller,
56
204467
3100
Mas um transístor, em comparação, é muito menor,
03:27
at a tiny fraction of a micron across.
57
207591
3848
com uma pequena fração de um mícron de largura.
03:31
You could place more than 260 transistors
58
211463
3546
Podemos colocar mais de 260 transístores
03:35
across a single red blood cell
59
215033
1978
no diâmetro de um só glóbulo vermelho
03:37
or more than 3,000 across the width of a human hair.
60
217035
4464
ou seja, mais de 3000 na largura de um cabelo humano.
03:41
It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.
61
221523
4324
É uma nanotecnologia espantosa no nosso bolso.
03:47
And besides the obvious benefit
62
227204
2188
Para além do benefício óbvio
03:49
of being able to place more, smaller transistors on a chip,
63
229416
3834
de poder colocar mais transístores mais pequenos num "chip",
03:53
smaller transistors are faster switches,
64
233984
3492
os transístores mais pequenos são interruptores mais rápidos,
03:58
and smaller transistors are also more efficient switches.
65
238166
4401
e os transístores mais pequenos também são interruptores mais eficientes.
04:02
So this combination has given us
66
242591
2477
Essa combinação tem-nos dado
04:05
lower cost, higher performance and higher efficiency electronics
67
245092
4299
menor custo, maior desempenho e uma eletrónica de maior eficiência
04:09
that we all enjoy today.
68
249415
2063
de que todos desfrutamos hoje.
04:14
To manufacture these integrated circuits,
69
254415
2764
Para fabricar esses circuitos integrados,
04:17
the transistors are built up layer by layer,
70
257203
3208
os transístores são montados camada a camada,
04:20
on a pure crystalline silicon wafer.
71
260435
2353
numa bolacha de silício cristalino puro.
04:23
And in an oversimplified sense,
72
263332
2228
Para dizê-lo de forma simples,
04:25
every tiny feature of the circuit is projected
73
265584
4281
cada pequena característica do circuito é projetada
04:29
onto the surface of the silicon wafer
74
269889
2332
na superfície da bolacha de silicone
04:32
and recorded in a light-sensitive material
75
272245
3679
e gravada numa camada de material sensível à luz
04:35
and then etched through the light-sensitive material
76
275948
2939
e depois gravada através do material sensível à luz
04:38
to leave the pattern in the underlying layers.
77
278911
3021
para deixar o padrão nas camadas subjacentes.
04:42
And this process has been dramatically improved over the years
78
282612
4084
Este processo tem melhorado drasticamente ao longo dos anos
04:46
to give the electronics performance we have today.
79
286720
2773
para dar à eletrónica o desempenho que temos hoje.
04:50
But as the transistor features get smaller and smaller,
80
290279
3442
Mas à medida que as características do transístor diminuem,
04:53
we're really approaching the physical limitations
81
293745
3037
estamos a aproximar-nos das limitações físicas
04:56
of this manufacturing technique.
82
296806
1883
desta técnica de fabrico.
05:00
The latest systems for doing this patterning
83
300515
3105
Os sistemas mais recentes para realizar esse padrão
05:03
have become so complex
84
303644
2303
tornaram-se tão complexos
05:05
that they reportedly cost more than 100 million dollars each.
85
305971
4730
que custam mais de 100 milhões de dólares cada.
05:10
And semiconductor factories contain dozens of these machines.
86
310725
4287
E as fábricas de semicondutores possuem dezenas dessas máquinas.
05:15
So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?
87
315036
4426
Então, as pessoas estão a questionar se esta abordagem é viável a longo prazo.
05:20
But we believe we can do this chip manufacturing
88
320441
3680
Acreditamos que podemos fabricar os "chips"
05:24
in a totally different and much more cost-effective way
89
324145
4023
de uma forma totalmente diferente e muito mais económica,
05:28
using molecular engineering and mimicking nature
90
328966
3973
usando a engenharia molecular e imitando a natureza
05:32
down at the nanoscale dimensions of our transistors.
91
332963
3613
à dimensão em nanoescala dos nossos transístores.
05:37
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit
92
337267
4661
Como eu disse, o fabrico convencional
agarra em todas as pequenas características do circuito
05:41
and projects it onto the silicon.
93
341952
2124
e projeta-as no silício.
05:44
But if you look at the structure of an integrated circuit,
94
344818
2744
Mas se olharmos para a estrutura de um circuito integrado,
05:47
the transistor arrays,
95
347586
1974
para as matrizes do transístor,
05:49
many of the features are repeated millions of times.
96
349584
3629
muitas das características repetem-se milhões de vezes.
05:53
It's a highly periodic structure.
97
353237
2608
É uma estrutura altamente periódica.
05:56
So we want to take advantage of this periodicity
98
356331
3068
Então, queremos tirar partido dessa periodicidade
05:59
in our alternative manufacturing technique.
99
359423
2697
na nossa técnica alternativa de fabrico.
06:02
We want to use self-assembling materials
100
362144
3435
Queremos usar materiais de montagem automática
06:05
to naturally form the periodic structures
101
365603
2977
para formar naturalmente as estruturas periódicas
06:08
that we need for our transistors.
102
368604
2383
de que precisamos para os transístores.
06:12
We do this with the materials,
103
372052
2142
Fazemos isso com os materiais,
06:14
then the materials do the hard work of the fine patterning,
104
374218
3437
e depois os materiais fazem o trabalho difícil do padrão fino,
06:17
rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.
105
377679
4859
em vez de empurrarem a tecnologia de projeção para além do seu limite.
06:23
Self-assembly is seen in nature in many different places,
106
383909
3899
Vemos a automontagem na Natureza em muitos lugares diferentes,
06:27
from lipid membranes to cell structures,
107
387832
3410
nas membranas lipídicas nas estruturas celulares,
06:31
so we do know it can be a robust solution.
108
391266
3055
por isso sabemos que pode ser uma solução robusta.
06:34
If it's good enough for nature, it should be good enough for us.
109
394345
3561
Se é bom para a Natureza, deve ser bom para nós.
06:38
So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly
110
398549
4800
Queremos aproveitar esta automontagem robusta que ocorre naturalmente
06:43
and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
111
403373
3965
e usá-la para o fabrico da nossa tecnologia de semicondutores.
06:48
One type of self-assemble material --
112
408929
2615
Um tipo de material de montagem automática
06:52
it's called a block co-polymer --
113
412388
2247
— chama-se copolímero em bloco —
06:54
consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.
114
414659
4783
consiste em duas cadeias de polímeros
só com umas dezenas de nanómetros de comprimento.
06:59
But these chains hate each other.
115
419466
2051
Mas essas cadeias odeiam-se.
07:01
They repel each other,
116
421541
1484
Repelem-se, como o óleo e a água
07:03
very much like oil and water or my teenage son and daughter.
117
423049
3897
ou o meu filho e a minha filha adolescentes.
07:06
(Laughter)
118
426970
1357
(Risos)
07:08
But we cruelly bond them together,
119
428351
2774
Mas nós unimo-las cruelmente,
07:11
creating an inbuilt frustration in the system,
120
431149
2695
criando uma frustração intrínseca no sistema,
07:13
as they try to separate from each other.
121
433868
2206
enquanto tentam separar-se.
07:16
And in the bulk material, there are billions of these,
122
436716
3285
Nesta matéria prima, há milhares de milhões destas cadeias,
07:20
and the similar components try to stick together,
123
440025
3301
e as cadeias semelhantes tentam manter-se juntas
07:23
and the opposing components try to separate from each other
124
443350
2809
e as cadeias opostas tentam separar-se umas das outras
07:26
at the same time.
125
446183
1155
tudo ao mesmo tempo.
07:27
And this has a built-in frustration, a tension in the system.
126
447362
3754
Isso provoca uma frustração interna, uma tensão no sistema.
07:31
So it moves around, it squirms until a shape is formed.
127
451140
4309
Elas deslocam-se, retorcem-se até se criar uma forma.
07:36
And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,
128
456209
4048
Essa forma automontada natural que se forma à nanoescala,
07:40
it's regular, it's periodic, and it's long range,
129
460281
3727
é regular, é periódica, e a longo prazo,
07:44
which is exactly what we need for our transistor arrays.
130
464032
3858
o que é exatamente aquilo de que precisamos
para as matrizes do transístor.
07:49
So we can use molecular engineering
131
469347
2531
Assim, podemos usar a engenharia molecular
07:51
to design different shapes of different sizes
132
471902
3064
para projetar formas diversas de tamanhos diferentes
07:54
and of different periodicities.
133
474990
2063
e de diferentes periodicidades.
07:57
So for example, if we take a symmetrical molecule,
134
477077
2731
Por exemplo, se tomarmos uma molécula simétrica,
07:59
where the two polymer chains are similar length,
135
479832
3075
em que as duas cadeias de polímeros têm o mesmo comprimento,
08:02
the natural self-assembled structure that is formed
136
482931
2671
a estrutura automontada que se forma naturalmente
08:05
is a long, meandering line,
137
485626
2929
é uma linha longa e sinuosa,
08:08
very much like a fingerprint.
138
488579
1810
muito parecida com uma impressão digital.
08:10
And the width of the fingerprint lines
139
490951
2322
E a largura das linhas dessa impressão digital
08:13
and the distance between them
140
493297
2010
e a distância entre elas
08:15
is determined by the lengths of our polymer chains
141
495331
3911
são determinadas pelo comprimento das cadeias de polímeros
08:19
but also the level of built-in frustration in the system.
142
499266
3294
mas também pelo nível da frustração interna do sistema.
08:23
And we can even create more elaborate structures
143
503320
2558
Até podemos criar estruturas mais elaboradas
08:27
if we use unsymmetrical molecules,
144
507487
2439
se usarmos moléculas assimétricas,
08:30
where one polymer chain is significantly shorter than the other.
145
510839
4085
em que uma cadeia de polímeros
é significativamente mais curta que a outra.
08:35
And the self-assembled structure that forms in this case
146
515749
2710
A estrutura automontada que se forma neste caso
08:38
is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,
147
518483
3800
constitui uma bola apertada com as correntes curtas no meio,
08:42
and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,
148
522307
3841
cercada pelas cadeias de polímeros opostas, mais compridas,
08:46
forming a natural cylinder.
149
526172
2048
formando um cilindro natural.
08:49
And the size of this cylinder
150
529089
2075
O tamanho deste cilindro
08:51
and the distance between the cylinders, the periodicity,
151
531188
3415
e a distância entre os cilindros, a periodicidade,
08:54
is again determined by how long we make the polymer chains
152
534627
3594
são de novo determinados pelo comprimento que damos às cadeias de polímeros
08:58
and the level of built-in frustration.
153
538245
2738
e pelo nível de frustração interna.
09:01
So in other words, we're using molecular engineering
154
541896
3878
Por outras palavras, estamos a usar a engenharia molecular
09:05
to self-assemble nanoscale structures
155
545798
2825
para automontar estruturas à nanoescala
09:08
that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.
156
548647
4910
que podem ser linhas ou cilindros
com o tamanho e a periodicidade do nosso "design".
09:14
We're using chemistry, chemical engineering,
157
554369
3297
Estamos a usar a química, a engenharia química,
09:17
to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
158
557690
4789
para fabricar as características necessárias para os transístores.
09:25
But the ability to self-assemble these structures
159
565611
4049
Mas a capacidade de automontar essas estruturas
09:29
only takes us half of the way,
160
569684
2437
só nos leva a meio do caminho,
09:32
because we still need to position these structures
161
572145
2809
porque ainda precisamos de posicionar essas estruturas
09:34
where we want the transistors in the integrated circuit.
162
574978
3550
onde queremos os transístores no circuito integrado.
09:39
But we can do this relatively easily
163
579246
2738
Mas podemos fazer isso com relativa facilidade
09:42
using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,
164
582008
6977
usando largas estruturas guias que fixam as estruturas automontadas,
09:49
anchoring them in place
165
589009
1921
prendendo-as no seu lugar
09:50
and forcing the rest of the self-assembled structures
166
590954
2847
e forçando o resto das estruturas automontadas
09:53
to lie parallel,
167
593825
1350
a manterem-se em paralelo,
09:55
aligned with our guide structure.
168
595199
2400
alinhadas com a nossa estrutura guia.
09:58
For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,
169
598510
4639
Por exemplo, se quisermos fazer uma linha fina de 40 nanómetros,
10:03
which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,
170
603173
4138
que é muito difícil de fabricar com a tecnologia de projeção convencional,
10:08
we can manufacture a 120-nanometer guide structure
171
608274
4785
podemos fabricar uma estrutura guia de 120 nanómetros
10:13
with normal projection technology,
172
613083
2504
com a tecnologia de projeção normal,
10:15
and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.
173
615611
6591
e essa estrutura alinhará três das linhas de 40 nanómetros no meio.
10:22
So the materials are doing the most difficult fine patterning.
174
622226
4769
Então, são os materiais que fazem o trabalho mais difícil.
10:27
And we call this whole approach "directed self-assembly."
175
627790
3907
Chamamos a toda esta abordagem "automontagem dirigida".
10:33
The challenge with directed self-assembly
176
633586
2754
O problema da automontagem dirigida
10:36
is that the whole system needs to align almost perfectly,
177
636364
4476
é que todo o sistema precisa de alinhar quase perfeitamente,
10:40
because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.
178
640864
5281
porque qualquer pequeno defeito na estrutura
pode causar a falha do transístor.
10:46
And because there are billions of transistors in our circuit,
179
646169
2969
E como há milhares de milhões de transístores no nosso circuito,
10:49
we need an almost molecularly perfect system.
180
649162
3228
precisamos de um sistema quase molecularmente perfeito.
10:52
But we're going to extraordinary measures
181
652977
2005
Mas estamos a fazer esforços extraordinários
10:55
to achieve this,
182
655006
1167
para conseguir isso,
10:56
from the cleanliness of our chemistry
183
656197
2992
seja a limpeza da nossa química
10:59
to the careful processing of these materials
184
659213
2326
seja o processamento cuidadoso destes materiais
11:01
in the semiconductor factory
185
661563
1571
na fábrica de semicondutores
11:03
to remove even the smallest nanoscopic defects.
186
663158
4572
para remover os mais pequenos defeitos nanoscópicos.
11:09
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,
187
669311
5190
A automontagem dirigida é uma tecnologia revolucionária, promissora,
11:14
but it is still in the development stage.
188
674525
2569
mas ainda está na fase de desenvolvimento.
11:17
But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it
189
677680
3861
Mas cada vez temos mais confiança de que podemos apresentá-la
11:21
to the semiconductor industry
190
681565
1687
à indústria de semicondutores
11:23
as a revolutionary new manufacturing process
191
683276
2957
como um novo processo revolucionário de fabrico
11:26
in just the next few years.
192
686257
2067
nos próximos anos.
11:29
And if we can do this, if we're successful,
193
689014
3034
Se pudermos fazer isso, se tivermos sucesso,
11:32
we'll be able to continue
194
692072
1531
poderemos continuar
11:33
with the cost-effective miniaturization of transistors,
195
693627
3258
com a miniaturização de transístores, económica e eficiente,
11:36
continue with the spectacular expansion of computing
196
696909
3753
continuar com a expansão espetacular da computação
11:40
and the digital revolution.
197
700686
1882
e a revolução digital.
11:42
And what's more, this could even be the dawn of a new era
198
702592
3545
Além do mais, isso até pode ser o alvorecer de uma nova era
11:46
of molecular manufacturing.
199
706161
2231
de fabrico molecular.
11:48
How cool is that?
200
708416
1531
Não é fantástico?
11:50
Thank you.
201
710519
1158
Obrigado.
11:51
(Applause)
202
711701
4209
(Aplausos)
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