Estabelecido limite final de velocidade dos computadores

Velocidade máxima dos computadores

A velocidade máxima de transmissão de sinais dentro dos microchips eletrônicos é de cerca de 1 PHz (um petahertz, ou 10¹⁵ Hz), o que é cerca de 100.000 vezes mais rápido do que os transistores dos processadores mais modernos.

Se chips de computador dessa velocidade máxima poderão realmente vir a ser produzidos é, no entanto, questionável.

A conclusão é de uma equipe das universidades técnicas de Viena e Graz, na Áustria, e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, que foram buscar os limites da eletrônica nas regras básicas da física quântica.

Curiosamente, esta conclusão é a mesma que a mesma equipe chegou em 2012, quando anunciaram que os processadores poderão alcançar velocidades petahertz.

A microeletrônica tem adotado duas abordagens para tornar os computadores mais rápidos: Por um lado, tornando os componentes eletrônicos, sobretudo os transistores, cada vez menores, para que a transmissão de dados (caminho do sinal de um ponto A até um ponto B) seja feita em tempos menores. O limite físico dessa miniaturização é o tamanho de um átomo; um circuito não pode ser fisicamente menor.

A segunda possibilidade para acelerar a transmissão de dados é acelerar os sinais de comutação dos próprios transistores, o tempo que leva para que eles liguem e desliguem a corrente que flui por eles. Foi nesse quesito que a equipe centrou sua atenção.

Um pulso de laser ultracurto (azul) cria portadoras de carga livres; outro pulso (vermelho) as acelera em direções opostas.
[Imagem: TU Wien]

Como tornar um computador mais rápido

Tornar um processador mais rápido, neste caso, significa aumentar sua frequência de operação.

“Quanto mais rápido você quiser ir, mais alta a frequência do sinal eletromagnético precisa ser – e, em algum momento, nós entramos na faixa da frequência da luz, que também pode ser considerada ou usada como sinal eletromagnético,” explicou o professor Martin Schultze.

Isso acontece, por exemplo, na optoeletrônica, onde a luz é usada para excitar os elétrons no semicondutor, forçando-os da banda de valência (a área onde os elétrons normalmente residem) para a banda de condução, de modo que o semicondutor passe do estado de isolante para o estado condutor. A energia de excitação é determinada pelo próprio material semicondutor, tipicamente na faixa de frequência da luz infravermelha.

Assim, em última análise, esta frequência corresponde à velocidade máxima que pode ser alcançada com chips feitos de materiais semicondutores.

Mas este não é o limite final: Materiais dielétricos (isolantes, como vidro ou cerâmica) podem superar esse limite, uma vez que exigem muito mais energia para serem excitados, em comparação com os semicondutores. Mais energia, por sua vez, permite o uso de frequências mais altas e, portanto, permite tornar mais rápida a transmissão de dados.

Infelizmente, no entanto, os materiais dielétricos não conseguem conduzir eletricidade sem perder a própria integridade. “Por exemplo, se você aplicar um campo eletromagnético ao vidro para que ele conduza eletricidade, isso geralmente resulta na quebra do vidro, deixando um buraco,” disse o pesquisador Marcus Ossiander, que liderou este novo estudo.

O limite de velocidade dos processadores é estabelecido pela física quântica.
[Imagem: M. Ossiander et al. – 10.1038/s41467-022-29252-1]

Limite de velocidade dos computadores

A solução que a equipe escolheu – e que também é a mesma usada no estudo de 2012 – foi manter o pulso de tensão aplicado – ou a frequência de comutação – tão curta que o material não tivesse tempo de se quebrar.

Especificamente, Ossiander usou um pulso de laser ultracurto, com uma frequência na faixa extrema de UV, para bombardear uma amostra de fluoreto de lítio. O fluoreto de lítio é dielétrico e possui o maior hiato de banda de todos os materiais conhecidos – esse hiato, ou bandgap, é a distância entre a banda de valência e a banda de condução de um material.

As medições mostraram a velocidade com que o material reage ao pulso ultracurto do laser, quanto tempo demora a geração do sinal e quanto tempo é necessário esperar até que o material possa ser exposto ao próximo sinal. “Acontece que, em cerca de um petahertz, há um limite superior para processos optoeletrônicos controlados,” disse o professor Joachim Burgdorfer, membro da equipe.

Isso, é claro, não significa que será possível construir chips de computador usando materiais dielétricos com uma frequência de clock de petahertz, mesmo porque a energia necessária para fazê-los funcionar seria enorme. Possível ou não, a equipe afirma que uma coisa é certa: A optoeletrônica não se tornará mais rápida do que isso.