Como funciona a Lei de Moore

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Fonte:|eletronicos.hsw.uol.com.br|

 

Divulgação / Intel
Em 1965, o co-fundador da Intel Gordon Moore previu que o número de transistores em um pedaço de silício iria dobrar a cada dois anos, criando a conhecida Lei de Moore

 

Existe uma piada sobre computadores pessoais que vem sendo contada desde que os dispositivos chegaram ao mercado: Você compra um novo computador, leva-o para casa e assim que termina de tirá-lo da caixa vê um anúncio de um novo computador que torna o seu obsoleto. Se você é o tipo de pessoa que quer ter as máquinas mais rápidas e mais poderosas, parece estar destinado à frustração e a várias viagens à loja de computadores.

Embora obviamente seja um exagero, a piada não está assim tão longe da verdade. Mesmo o mais modesto dos computadores de hoje tem mais poder de processamento e espaço de armazenamento que o famoso supercomputador Cray-1. Em 1976, o Cray-1 era a vanguarda: ele podia processar 160 milhões de operações de ponto flutuante por segundo (flops) e tinha 8 megabytes de memória.

Hoje, muito computadores pessoais podem realizar mais de 10 vezes esse número de operações de ponto flutuante em um segundo e têm 100 vezes a quantidade de memória. Enquanto isso, no fronte dos supercomputadores, o Cray XT5 Jaguar, no Laboratório Nacional de Oak Ridge, pode executar 1,4 petaflops (em 2008). O prefixo peta significa 10¹⁵ - em outras palavras, um quadrilhão. Isso quer dizer que o Cray XT5 pode processar 8,75 milhões de vezes mais flops do que o Cray-1. E só levou um pouco mais de três décadas para atingir essa marca.

 

Se você colocasse em um gráfico a evolução do computador em termos de poder de processamento, veria que esse progresso tem sido exponencial. O homem que fez essa famosa observação pela primeira vez é Gordon Moore, co-fundador da Intel. Cientistas da computação, engenheiros elétricos, fabricantes e jornalistas extrapolaram a Lei de Moore da sua observação original. Em geral, a maioria das pessoas interpreta a Lei de Moore como o número de transistores em um bolacha de silício de 2,5 cm de diâmetro que dobra a cada X número de meses.

 

O número de meses se altera à medida que a situação do mercado de microprocessadores muda. Algumas pessoas dizem que leva 18 meses e outros, 24. Alguns interpretam a lei como a duplicação da capacidade de processamento, não do número de transistores. E a leia às vezes parece ser mais uma profecia autorrealizável do que, na verdade, uma lei, princípio ou observação. Para entender o porquê, é melhor voltar ao começo.

Semicondutores, transistores e circuitos integrados

 

 

Lucent Technologies / Divulgação Réplica do primeiro transístor, criado por engenheiros do Bell Labs

A descoberta dos semicondutores, a invenção dos transistores e a criação do circuito integrado são o que faz a Lei de Moore - e por extensão, os eletrônicos modernos - possível. Antes da invenção do transístor, o ele mais amplamente usado nos eletrônicos era a válvula. Engenheiros elétricos usavam as válvulas para amplificar os sinais elétricos. Mas as válvulas tinham a tendência a se quebrar e geravam muito calor também.

 

 

O Bell Laboratories começou a procurar uma alternativa às válvulas para estabilizar e forçar o crescimento da rede nacional de telefonia nos EUA nos anos 1930. Em 1945, o laboratório concentrou-se em descobrir uma maneira de tirar vantagem dos semicondutores. Um semicondutor é um material que pode agir tanto como condutor quanto como isolante. Condutores são materiais que permitem o fluxo de elétrons - eles conduzem eletricidade. Isolantes têm uma estrutura atômica que inibe o fluxo de elétrons. Os semicondutores fazem as duas coisas.

O controle do fluxo de elétrons é o que faz os eletrônicos funcionarem. Descobrir uma maneira de aproveitar a natureza única dos semicondutores se tornou alta prioridade para o Bell Labs.Em 1947, John Bardeen e Walter Brattain construíram o primeiro transístor funcional. O transístor é um dispositivo projetado para controlar o fluxo de elétrons - ele tem um portão que, quando fechado, evita que os elétrons fluam pelo transístor. Essa ideia básica é a base para a maneira como praticamente todos os eletrônicos funcionam.

Os primeiros transistores era enormes, comparados com os transistores fabricados hoje. O primeiro deles tinha 1,3 cm de altura. Mas depois que os engenheiros aprenderam como construir um transístor funcional, a corrida estava em construi-los melhores e menores. Nos primeiros anos, os transistores existiam apenas nos laboratórios científicos enquanto os engenheiros melhoravam o design.

Em 1958, Jack Kilby fez a próxima grande contribuição ao mundo dos eletrônicos: o circuito integrado. Os primeiros circuitos elétricos consistiam de uma série de componentes individuais, cujas peças eram construídas uma a uma e depois anexadas a uma fundação chamada substrato. Kilby experimentou construir um circuito fora da uma peça única do material semicondutor e revestir as partes de metal necessárias para conectar as diferentes peças do circuito elétrico no topo disso. O resultado foi um circuito integrado.

O próximo grande desenvolvimento foi o transístor achatado. Para fazer o transístor achatado, os componentes são entalhados diretamente no substrato semicondutor. Isso faz com que algumas partes do substratos sejam mais altas que as outras. Em seguida, você aplica um filme de metal condensado ao substrato. O filme adere às porções altas do material semicondutor, cobrindo-o com metal. O metal cria as conexões entre os diferentes componentes para permitir que os elétrons fluam de um componente para outro. É quase como imprimir um circuito diretamente em uma bolacha de semicondutor.

A observação de Moore

 

 

 

Divulgação / Intel Engenheiro da Intel verifica no microscópio uma bolacha de silício contendo chips de 45 nm

O físico Jean Hoerni desenvolveu a técnica de criação de transistores planos em 1959. Em 1961, uma companhia chamada Fairchild Semiconductor produziu o primeiro circuito integrado plano. Dali em diante, a tecnologia avançou rapidamente. Físicos e engenheiros descobriram novas e mais eficientes formas de criar circuitos integrados. Eles refinaram o processo que usavam para fazer componentes menores e mais compactos. Isso significou colocar mais transistores em uma única bolacha de semicondutor do que as gerações anteriores da tecnologia.

 

 

 

Nesse período, o diretor para pesquisa e desenvolvimento da Fairchild era Gordon Moore. Uma revista de eletrônicos pediu a Moore para fazer uma previsão do que aconteceria nos 10 anos seguintes de desenvolvimento no campo dos eletrônicos. Moores escreveeu um artigo com o título mordaz "Entuchando mais componentes nos circuitos integrados". A revista publicou o artigo em 19 de abril de 1965.

Moore baseou sua previsão no rápido desenvolvimento da indústria desde a introdução do circuito integrado. Ele viu que as técnicas melhoraram e os componentes nos circuitos encolheram e o preço para produzir um componente individual caíra. As companhias de semicondutores tinham um incentivo para refinar suas técnicas de produção - não apenas os circuitos eram mais poderosos, como os elementos individuais tinham custo mais eficiente. Enquanto a relação fosse verdadeira, dizia Moore, a tendência continuaria.

 

Mas Moore incluiu uma limitação. À medida que os circuitos se tornassem mais complexos, o custo para produzir um circuito como um todo subiria. Por isso, enquanto os componentes individuais são caros para produzir, circuitos realmente complexos são mais caros para desenvolver. À medida que a técnica for melhorando, o custo para criar circuitos complexos cai. O custo por componente o o custo por circuito criaram um efeito equilibrador na indústria e resultaram em uma tendência evolutiva linear.

 

Moore também mostrou que num período de 12 meses, o número de componentes em um bolacha de semicondutor de 2,5 cm de diâmetro dobraria. Moore atribuiu isso a duas grande tendências: as companhias foram descobrindo formas de fazer componentes menores, e elas foram ficando melhores no arranjo dos componentes para preservar espaço na bolacha.

 

Moore extrapolou suas previsões dos próximos ao olhar para esta data. Até o fechamento deste artigo, Moore dizia que o número máximo de componentes em um circuito era 50. Ele previu que lá pelo ano d 1975 o número seria perto de 65.000. A previsão se manteve - em 1975, circuitos integrados tinha cerca de 65 mil componentes.

Interpretações da Lei de Moore

 

 

O poder dos circuitos Uma interpretação livre da Lei de Moore não leva em consideração a ênfase em quantos componentes vão em um substrato. Essa versão da lei diz que o poder de processamento para os chips de CPU dobra a cada 18 meses. Essa é a coisa elegante da Lei de More - o significado muda dependendo para quem ou sobre o que você pergunta.

 

 

Em 1975, Moore escreveu um artigo para o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) entitulado "Progress in Digital Integrated Electronics". Moore reconheceu que sua previsão para a taxa de avanços na tecnologia de circuitos tinha se mantido verdadeira e discutiu a possibilidade de a tendência continuar.

 

Moore apontou que à medida que a técnica melhorasse, o potencial para defeitos diminuiria. Isso significava que os fabricantes de circuitos poderiam trabalhar com bolachas maiores e produzir mais chips por bolacha. A produção se tornou mais eficiente, o que, em torno, ajudou a motivar inovação para criar até componentes menores.

Moore disse que a tendência prevista por ele dez anos antes progrediria à mesma taxa por ao menos mais alguns anos. Mas Moore também disse que ele acreditava que a indústria de semicondutores estava se aproximando do limite de algumas técnicas, como a preservação de espaço no circuito. Ele chamou esse fator de "inteligência de circuito". Ele acreditava que nós atingiríamos um limite em como poderíamos arranjar os componentes de forma inteligente - afinal, já tínhamos um ótimo uso do espaço. Uma vez removido esse fator da equação, a taxa de avanços deve diminuir. Moore disse que acreditava que depois de alguns anos, os componentes dobrariam apenas a cada 24 meses.

Embora a observação original da Lei de Moore focasse os avanços da tecnologia e a economia por trás da produção de circuitos, muitas pessoas reduziram sua observação à simples declaração que nós chamamos de Lei de Moore. A versão mais comum da Lei de Moore é que o número de transistores em um circuito dobra a cada 18 (ou 24) meses. De forma marcante, essa previsão se manteve - hoje, o microprocessador Core i7, da Intel, tem 731 milhões de transistores, enquanto o processador Xeon tem 1,9 bilhões de transistores.

 

Entuchar mais componentes em um circuito integrado não apenas significa que os dispositivos se tornaram mais poderosos - também quer dizer que eles estão ficando menores. Os componentes minúsculos nos circuitos integrados compactos alimentam todo tipo de dispositivos eletrônicos portáteis. Mesmo um chip de microprocessador pequeno hoje é mais poderoso do que um chip inteiro era anos atrás. Os avanços na produção de circuitos torna possíveis dispositivos como smartphones e netbooks.

A Lei de Moore em ação

Por que as observações e predições de Moore se mantiveram verdadeiras por tantas décadas? A Lei de Moore não é uma lei - na verdade, não há nenhuma lei básica da física por trás dela. A Lei de Moore apenas se mantém por causa das ações dos seres humanos, Mas o que mantém o ciclo regular à medida que o desafio para fazer circuitos mais poderosos cresce?

 

Muito da motivo é psicológico e dirigido pelo mercado. Companhias que fazem circuitos integrados estão competindo umas com as outras e todos sabem sobre a Lei de Moore. Isso quer dizer que cada executivo corporativo tem isso em mente: se nossa companhia não dobrar o poder dos nossos circuitos em 18 meses, outra companhia vai nos bater.

 

Como as companhias não querem dar margem para a concorrência, eles colocam muito dinheiro em pesquisa e desenvolvimento (P&D). Essas divisões de P&D trabalham para desenvolver novas técnicas para criar componentes menores e arranjá-los de uma maneira que maximize seu desempenho. Custa muito dinheiro manter-se em dia com o ciclo de pesquisa, mas esse custo é equilibrado com a ameaça da concorrência ganhando uma posição segura e dominando o mercado.

 

Outro fator é o simples desejo de superar um desafio. Muitas pessoas previram o fim da Lei de Moore ao longo dos anos. Algumas pessoas pensavam que ela chegaria ao fim durante os anos 1980. Outras disseram a mesma coisa em meados dos anos 1990. É como se os engenheiros finalmente colidissem com uma barreira que seria basicamente impossível de quebrar. Mas os engenheiros, de algum modo, conseguiram encontrar uma solução, mantendo a Lei de Moore viva.

 

Consumidores também dirigem a Lei de Moore. O rápido desenvolvimento dos eletrônicos criou um senso de expectativa entre os consumidores. A cada ano, eletrônicos mais rápidos e mais avançados chegam ao mercado. Do ponto de vista do consumidores, não há razão para não esperar algo melhor no próximo ano.

A Lei de Moore e a nanoescala

 

 

Divulgação / Intel Os últimos chips da Intel têm 45 nm de largura: seriam necessários 2.000 deles para atingir a espessura de um fio de cabelo humano. A empresa está trabalhando na construção de chips de 32 nm

Hoje, transistores em circuitos integrados têm chegado a um tamanho tão pequeno que seriam necessários mais de 2.000 deles empilhados para ficar com a espessura de um fio de cabelo humano. Os transistores nos últimos chips Intel têm apenas 45 nanômetros de largura - o cabelo humano tem cerca de 10 mil nanômetros de espessura [fonte: National Nanotechnology Initiative].

 

 

 

Criar transistores tão estreitos é um feito incrível. A luz visível tem comprimentos de ondas na faixa de 400-700 nanômetros. As lentes dos microscópios de luz convencionais podem apenas focar objetos da metade do tamanho de um comprimento de onda de luz visível ou mair. Você tem de se fiar em equipamentos especiais como os microscópios de escaneamento de elétrons para criar uma imagem de algo nessa escala de tamanho.

 

Uma coisa você precisa considerar quando lida com dispositivos tão pequenos é que à medida que você se aproxima da nanoescala, você deixa para trás o mundo da física clássica e entra no reino da mecânica quântica. As regras da física no mundo quântico são muito diferentes da forma como as coisas trabalham na macro-escala. Por exemplo, partículas quânticas como elétrons podem passar através de paredes extremamente finas mesmo que elas não tenham a energia cinética necessária para ultrapassar barreiras. Os físicos quânticos chamam isso de fenômeno de tunelamento quântico.

 

Como os eletrônicos dependem do controle do fluxo de elétrons para funcionar, questões como o tunelamento quântico criam sérios problemas. Esses problemas forçam os engenheiros elétricos a reavaliar a forma como eles projetam os circuitos. Em alguns casos, mudar para materiais diferentes resolve a questão. Em outros, descobrir uma forma completamente nova para construir circuitos pode funcionar.

Há até uma possibilidade de que alguém surja com uma ideia revolucionária que torne o transístor e o circuito integrado obsoletos. Embora isso possa soar improvável, é fato que apesar de numerosos especialistas em tecnologia e engenheiros anunciarem o fim da Lei de Moore, os fabricantes de circuitos integrados ainda estão descobrindo formas de mantê-la funcionando. Ao que se revela, os desafios podem não ser tão impossíveis quanto alguns acreditam.

 

O futuro da Lei de Moore

 

 

© Robert Hunt / iStockphoto As placas de circuito atuais têm milhões de transistores. Haverá um fim para a Lei de Moore?

Até Gordon Moore questionou quanto tempo o ciclo de inovação e produção pode manter o ritmo frenético das últimas quatro décadas. Ele também expressou assombro com a maneira como companhias como a Intel encontraram novas formas de trabalhar em torno do que inicialmente parecia um problema insuperável. Haverá um fim para a Lei de Moore?

 

 

A resposta é sim, mas é difícil especificar quando isso acontecerá. Por exemplo, nós poderíamos chegar a uma barreira técnica que impede engenheiros de encontrar uma forma de fazer componentes menores. Mas mesmo se não encontrarmos a barreira técnica, a economia poderia entrar na equação. Se não for economicamente viável produzir circuitos com transistores menores, pode não haver motivo para perseguir novos desenvolvimentos. Ou nós podemos esbarrar nas leis básicas da física - como a velocidade da luz.

 

O problema em predizer uma data específica para quando uma ou mais dessas barreiras pararão o progresso é que nós temos de basear no que sabemos hoje. Mas a cada dia, os engenheiros estão aprendendo novas formas de projetar, construir e produzir circuitos. O que nós soubermos amanhã pode tornar as coisas que parecem impossíveis hoje completamente realizáveis.

 

A Lei de Moore é relevante hoje? A era dos computadores pessoais foi dominada pelo senso de que o consumidor precisa da última e melhor máquina do mercado. Mas hoje, algumas pessoas estão questionando essa filosofia. Parte disso é devido a mudanças no comportamento do consumidor - muitos donos de computadores usam seus computadores para tarefas simples, como navegar na Web ou enviar e-mails. Essas aplicações não exigem muito do hardware do computador.

Outro motivo para PCs poderosos não serem tão necessários é o aumento da popularidade da computação em nuvem. A computação em nuvem muda o fardo do processamento e do armazenamento para uma rede de computadores. Usuários podem acessar aplicações e informação usando a Internet, por isso eles não necessariamente precisam ter uma máquina poderosa para tirar vantagem da computação em nuvem.

 

Como resultado, dispositivos como smartphones e netbooks estão se tornando mais populares. Esses dispositivos não têm o poder de processamento puro dos últimos desktops e laptops. Mas eles ainda permitem que os usuários acessem as aplicações e os dados de que precisam.

Lições aprendidas com a Lei de Moore

Se os consumidores continuarem a comprar dispositivos como smartphones e netbooks, os fabricantes de microprocessadores terão menos incentivos para seguir a Lei de Moore. Se não houver mercado para microprocessadores ultrapoderosos, então teremos atingido a barreira econômica que poderia pôr um fim ao ciclo.

Isso posto, algumas instalações ainda podem empurrar os limites da produção de circuitos integrados. Embora o consumidor médio possa não ver valor no PC poderoso, instalações de pesquisa ainda se baseiam nos processadores mais rápidos na produção. Mais processadores poderosos podem ajudar em tudo - da previsão do tempo a estudos cosmológicos.

Uma lição que podemos tirar da Lei de Moore e da indústria de semicondutores é que a pesquisa pura pode produzir resultados benéficos para a sociedade. Os engenheiros do Bell Laboratories não tinham nenhuma garantia de que seu trabalho experimental com os primeiros modelos de transístor renderia resultados positivos. Mas sua pesquisa e trabalho duro produziram uma indústria que mudou a maneira como vivemos. Isso é um exemplo de como a pesquisa científica pode ter um impacto dramático em nossas vidas mesmo quando não há benefício imediato ou óbvio.

Talvez a mais importante lição que podemos tirar da Lei de Moore é que nós não deveríamos ser tão rápidos em dizer que algo é impossível. Henry L. Ellsworth, o diretor di Escritório de Patentes dos EUA em 1843, disse certa vez que "o avanço das artes, de um ano para outro, exige demais da nossa credulidade e parece pressagiar a chegada daquele período em que a melhoria do homem deve terminar" [fonte: Sass]. Ellsworth estava chamando a atenção para a taxa da inventividade e inovação humana, tão impressionante que era difícil de acreditar. Ele não estava insinuando, como algumas pessoas , que tudo que havia para ser inventado já tinha sido inventado. E de fato, a taxa de inovação só aumentou desde então.

Embora saibamos muito sobre a construção de eletrônicos, deve haver muita coisa que ainda não sabemos. A Lei de Moore ajuda como dispositivo motivacional para a inventividade dos engenheiros. Eles não querem desapontar Gordon Moore, mesmo que isso signifique descobrir soluções únicas para problemas aparentemente impossíveis.