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

Tradutor: David Serrano Jurado Revisora: Margarida Ferreira

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 no nosso bolso,

on your wrist

no nosso pulso

and can even be implanted inside of your body.

e até podem ser implantados dentro do nosso corpo.

How cool is that?

Não é fantástico?

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

E isso é possível, graças à miniaturização dos transístores,

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

Conseguimos isso graças a décadas de desenvolvimento

and breakthroughs in science and engineering

e de avanços na ciência e na engenharia

and of billions of dollars of investment.

e a milhares de milhões de dólares em investimento.

But it's given us vast amounts of computing,

Isso deu-nos grandes quantidades de computação,

huge amounts of memory

grande quantidade de memória

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

e a revolução digital que todos experimentamos e apreciamos hoje.

But the bad news is,

Mas o problema

we're about to hit a digital roadblock,

é que estamos prestes a atingir um obstáculo digital,

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

porque o ritmo de miniaturização dos transístores

está a diminuir de velocidade.

And this is happening at exactly the same time

Isso está a acontecer exatamente na mesma altura

as our innovation in software is continuing relentlessly

em que a inovação em "software" continua incansavelmente

with artificial intelligence and big data.

com a inteligência artificial e os grandes volumes de dados.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

Os nossos dispositivos executam regularmente

o reconhecimento facial, aumentam a nossa realidade

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

ou até mesmo dirigem carros nas estradas traiçoeiras 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 podíamos fazer com o "software"

podem ficar limitadas pelo "hardware".

by our hardware.

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

Todos nós já experimentámos a frustração de um "smartphone" ou "tablet" antigos

grinding slowly to a halt over time

a funcionar lentamente até parar por completo

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

sob o peso crescente das atualizações do "software" e de novos recursos.

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

Funcionavam muito bem quando os comprámos, há pouco tempo.

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

Mas os famintos engenheiros de "software"

consumiram toda a capacidade do "hardware"

over time.

ao longo do tempo.

The semiconductor industry is very well aware of this

A indústria de semicondutores está plenamente consciente disso

and is working on all sorts of creative solutions,

e está a trabalhar em todo o tipo de soluções criativas,

such as going beyond transistors to quantum computing

como passar dos transístores para a computação quântica

or even working with transistors in alternative architectures

ou mesmo trabalhar com transístores com arquiteturas alternativas

such as neural networks

como redes neurais

to make more robust and efficient circuits.

para tornar os circuitos mais robustos e eficientes.

But these approaches will take quite some time,

Mas essas abordagens vão demorar um pouco

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

e estamos a procurar uma solução muito mais imediata para este problema.

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

A razão por que o ritmo da miniaturização dos transístores está a diminuir

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

é a crescente complexidade do processo de fabrico.

The transistor used to be a big, bulky device,

O transístor costumava ser um dispositivo grande e volumoso,

until the invent of the integrated circuit

até à invenção do circuito integrado

based on pure crystalline silicon wafers.

à base de bolachas de silício cristalino puro.

And after 50 years of continuous development,

Ao fim de 50 anos de desenvolvimento contínuo,

we can now achieve transistor features dimensions

agora podemos fabricar transístores

com uma dimensão até 10 nanómetros.

down to 10 nanometers.

You can fit more than a billion transistors

Podemos encaixar mais de mil milhões de transístores

in a single square millimeter of silicon.

num só milímetro quadrado de silício.

And to put this into perspective:

Para colocar isto em perspetiva,

a human hair is 100 microns across.

um cabelo humano tem 100 mícrones de diâmetro.

A red blood cell, which is essentially invisible,

Um glóbulo vermelho, que é praticamente invisível,

is eight microns across,

tem oito mícrones de diâmetro,

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

e podemos colocar 12 alinhados na largura de um cabelo humano.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

Mas um transístor, em comparação, é muito menor,

at a tiny fraction of a micron across.

com uma pequena fração de um mícron de largura.

You could place more than 260 transistors

Podemos colocar mais de 260 transístores

across a single red blood cell

no diâmetro de um só glóbulo vermelho

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

ou seja, mais de 3000 na largura de um cabelo humano.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

É uma nanotecnologia espantosa no nosso bolso.

And besides the obvious benefit

Para além do benefício óbvio

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

de poder colocar mais transístores mais pequenos num "chip",

smaller transistors are faster switches,

os transístores mais pequenos são interruptores mais rápidos,

and smaller transistors are also more efficient switches.

e os transístores mais pequenos também são interruptores mais eficientes.

So this combination has given us

Essa combinação tem-nos dado

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

menor custo, maior desempenho e uma eletrónica de maior eficiência

that we all enjoy today.

de que todos desfrutamos hoje.

To manufacture these integrated circuits,

Para fabricar esses circuitos integrados,

the transistors are built up layer by layer,

os transístores são montados camada a camada,

on a pure crystalline silicon wafer.

numa bolacha de silício cristalino puro.

And in an oversimplified sense,

Para dizê-lo de forma simples,

every tiny feature of the circuit is projected

cada pequena característica do circuito é projetada

onto the surface of the silicon wafer

na superfície da bolacha de silicone

and recorded in a light-sensitive material

e gravada numa camada de material sensível à luz

and then etched through the light-sensitive material

e depois gravada 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

Este processo tem melhorado drasticamente ao longo dos anos

to give the electronics performance we have today.

para dar à eletrónica o desempenho que temos hoje.

But as the transistor features get smaller and smaller,

Mas à medida que as características do transístor diminuem,

we're really approaching the physical limitations

estamos a aproximar-nos das limitações físicas

of this manufacturing technique.

desta técnica de fabrico.

The latest systems for doing this patterning

Os sistemas mais recentes para realizar esse padrão

have become so complex

tornaram-se tão complexos

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

que custam mais de 100 milhões de dólares cada.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

E as fábricas de semicondutores possuem dezenas dessas máquinas.

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

Então, as pessoas estão a questionar se esta abordagem é viável a longo prazo.

But we believe we can do this chip manufacturing

Acreditamos que podemos fabricar os "chips"

in a totally different and much more cost-effective way

de uma forma totalmente diferente e muito mais económica,

using molecular engineering and mimicking nature

usando a engenharia molecular e imitando a natureza

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

à dimensão em nanoescala dos nossos transístores.

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

Como eu disse, o fabrico convencional

agarra em todas as pequenas características do circuito

and projects it onto the silicon.

e projeta-as no silício.

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

Mas se olharmos para a estrutura de um circuito integrado,

the transistor arrays,

para as matrizes do transístor,

many of the features are repeated millions of times.

muitas das características repetem-se 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 tirar partido dessa periodicidade

in our alternative manufacturing technique.

na nossa técnica alternativa de fabrico.

We want to use self-assembling materials

Queremos usar materiais de montagem automática

to naturally form the periodic structures

para formar naturalmente as estruturas periódicas

that we need for our transistors.

de que precisamos para os transístores.

We do this with the materials,

Fazemos isso com os materiais,

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

e depois os materiais fazem o trabalho difícil do padrão fino,

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

em vez de empurrarem a tecnologia de projeção para além do seu limite.

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

Vemos a automontagem na Natureza em muitos lugares diferentes,

from lipid membranes to cell structures,

nas membranas lipídicas nas estruturas celulares,

so we do know it can be a robust solution.

por isso sabemos que pode ser uma solução robusta.

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

Se é bom para a Natureza, deve ser bom para nós.

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

Queremos aproveitar esta automontagem robusta que ocorre naturalmente

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

e usá-la para o fabrico da nossa tecnologia de semicondutores.

One type of self-assemble material --

Um tipo de material de montagem automática

it's called a block co-polymer --

— chama-se copolímero em bloco —

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

consiste em duas cadeias de polímeros

só com umas dezenas de nanómetros de comprimento.

But these chains hate each other.

Mas essas cadeias odeiam-se.

They repel each other,

Repelem-se, como o óleo e a água

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

ou o meu filho e a minha filha adolescentes.

(Laughter)

(Risos)

But we cruelly bond them together,

Mas nós unimo-las cruelmente,

creating an inbuilt frustration in the system,

criando uma frustração intrínseca no sistema,

as they try to separate from each other.

enquanto tentam separar-se.

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

Nesta matéria prima, há milhares de milhões destas cadeias,

and the similar components try to stick together,

e as cadeias semelhantes tentam manter-se juntas

and the opposing components try to separate from each other

e as cadeias opostas tentam separar-se umas das outras

at the same time.

tudo ao mesmo tempo.

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

Isso provoca uma frustração interna, uma tensão no sistema.

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

Elas deslocam-se, retorcem-se até se criar uma forma.

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

Essa forma automontada natural que se forma à nanoescala,

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

é regular, é periódica, e a longo prazo,

which is exactly what we need for our transistor arrays.

o que é exatamente aquilo de que precisamos

para as matrizes do transístor.

So we can use molecular engineering

Assim, podemos usar a engenharia molecular

to design different shapes of different sizes

para projetar formas diversas de tamanhos diferentes

and of different periodicities.

e de diferentes periodicidades.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

Por exemplo, se tomarmos uma molécula simétrica,

where the two polymer chains are similar length,

em que as duas cadeias de polímeros têm o mesmo comprimento,

the natural self-assembled structure that is formed

a estrutura automontada que se forma naturalmente

is a long, meandering line,

é uma linha longa e sinuosa,

very much like a fingerprint.

muito parecida com uma impressão digital.

And the width of the fingerprint lines

E a largura das linhas dessa impressão digital

and the distance between them

e a distância entre elas

is determined by the lengths of our polymer chains

são determinadas pelo comprimento das cadeias de polímeros

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

mas também pelo nível da frustração interna do sistema.

And we can even create more elaborate structures

Até podemos criar estruturas mais elaboradas

if we use unsymmetrical molecules,

se usarmos moléculas assimétricas,

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

em que uma cadeia de polímeros

é significativamente mais curta que a outra.

And the self-assembled structure that forms in this case

A estrutura automontada que se forma neste caso

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

constitui uma bola apertada com as correntes curtas no meio,

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

cercada pelas cadeias de polímeros opostas, mais compridas,

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

são de novo determinados pelo comprimento que damos às cadeias de polímeros

and the level of built-in frustration.

e pelo nível de frustração interna.

So in other words, we're using molecular engineering

Por outras palavras, estamos a usar a engenharia molecular

to self-assemble nanoscale structures

para automontar estruturas à nanoescala

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

que podem ser linhas ou cilindros

com o tamanho e a periodicidade do nosso "design".

We're using chemistry, chemical engineering,

Estamos a usar a química, a engenharia química,

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

para fabricar as características necessárias para os transístores.

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 a meio do caminho,

because we still need to position these structures

porque ainda precisamos de posicionar essas estruturas

where we want the transistors in the integrated circuit.

onde queremos os transístores 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 largas estruturas guias que fixam as estruturas automontadas,

anchoring them in place

prendendo-as no seu lugar

and forcing the rest of the self-assembled structures

e forçando o resto das estruturas automontadas

to lie parallel,

a manterem-se em paralelo,

aligned with our guide structure.

alinhadas com a nossa estrutura guia.

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

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

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

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

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

podemos fabricar uma estrutura guia de 120 nanómetros

with normal projection technology,

com a 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 nanómetros no meio.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

Então, são os materiais que fazem o trabalho mais difícil.

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

Chamamos a toda esta abordagem "automontagem dirigida".

The challenge with directed self-assembly

O problema da automontagem dirigida

is that the whole system needs to align almost perfectly,

é que todo o sistema precisa de alinhar quase perfeitamente,

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

porque qualquer pequeno defeito na estrutura

pode causar a falha do transístor.

And because there are billions of transistors in our circuit,

E como há milhares de milhões de transístores no 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 a fazer esforços extraordinários

to achieve this,

para conseguir isso,

from the cleanliness of our chemistry

seja a limpeza da nossa química

to the careful processing of these materials

seja o processamento cuidadoso destes materiais

in the semiconductor factory

na fábrica de semicondutores

to remove even the smallest nanoscopic defects.

para remover os mais pequenos defeitos nanoscópicos.

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

A automontagem dirigida é uma tecnologia revolucionária, promissora,

but it is still in the development stage.

mas ainda está na fase de desenvolvimento.

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

Mas cada vez temos mais confiança de que podemos apresentá-la

to the semiconductor industry

à indústria de semicondutores

as a revolutionary new manufacturing process

como um novo processo revolucionário de fabrico

in just the next few years.

nos próximos anos.

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

Se pudermos fazer isso, se tivermos sucesso,

we'll be able to continue

poderemos continuar

with the cost-effective miniaturization of transistors,

com a miniaturização de transístores, económica e eficiente,

continue with the spectacular expansion of computing

continuar com a expansão espetacular da computação

and the digital revolution.

e a revolução digital.

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

Além do mais, isso até pode ser o alvorecer de uma nova era

of molecular manufacturing.

de fabrico molecular.

How cool is that?

Não é fantástico?

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)