O que significam os nanômetros dos processadores?

É comum, ao falarmos de novos processadores, abordarmos o termo nanômetro. Em geral, ele é utilizado para informar o tamanho de cada transistor do chip. Mas ele tem a ver também com o processo de fabricação ou litografia do processador.

Se você não entende muito bem o que significam os nanômetros dos processadores, não se preocupe. Nos próximos parágrafos vamos explicar tudo detalhadamente. Você irá aprender o que é um nanômetro; qual a sua função nos chips; quais as tecnologias de fabricação e também por que eles têm relação com a famosa Lei de Moore.

Leia também
Como saber se o processador é compatível com a placa-mãe?
Como saber se o seu processador queimou?

Afinal de contas, o que é um nanômetro?

Nanômetro nada mais é do que uma unidade de medida do sistema métrico. Assim como é o metro, centímetro, milímetro e assim por diante. 1 nanômetro equivale a 1 metro dividido por 1 bilhão. Em outras palavras, é 1 bilionésimo de 1 metro. A sigla para representar o nanômetro é “nm”.

Você já deve imaginar que 1 nanômetro já entra na escala microscópica, correto? E você está certo! É impossível enxergar qualquer coisa que meça alguns nanômetros a olho nu. Os processadores atuais já são fabricados utilizando métodos que diminuem a distância entre os transistores a um tamanho de 4 nm, 5 nm e 7 nm. Os mais antigos possuem 10 nm ou 14 nm.

Só para termos uma ideia do quão microscópico é isso, um simples fio de cabelo possui um tamanho que varia entre 80 mil e 100 mil nanômetros. Já uma fita de DNA humano possui apenas 2,5 nm. Ou seja, quando nos referimos a nanômetros, já estamos falando na escala de átomos.

Qual a importância dos nanômetros nos processadores?

Antes de falar sobre a importância dos nanômetros em si, preciso explicar o que é um transistor. Todos os processadores são compostos por transistores. Atualmente, cada chip possui bilhões de transistores.

Um transistor é um componente semicondutor minúsculo. Sua função é permitir ou não a passagem de corrente elétrica. Os transistores também amplificam os sinais elétricos. Lembre-se que qualquer dispositivo eletrônico utiliza o código binário em sua base. Ou seja, uma série de 0 e 1 que, a grosso modo, significam que o transistor está ligado ou desligado.

Portanto, uma maneira de aumentar o desempenho de um processador é aumentando a quantidade de transistores nos núcleos. E como podemos fazer isso? Além de, obviamente, diminuir o tamanho do transistor em si, podemos diminuir a distância entre eles.

A distância entre os transistores é medida em nanômetros. Basicamente, quanto menor for a distância entre os transistores, mais deles podemos colocar no mesmo chip. Com mais transistores instalados, o desempenho do processador é maior. A lógica é bem simples, não é verdade?

Outro benefício de diminuir a distância entre os transistores é diminuir também o consumo de energia. Isso acontece pois os elétrons precisarão percorrer uma distância menor entre cada transistor. E os próprios transistores precisam de menos energia para alternar entre ligado e desligado.

Quanto menos nanômetros melhor

Atualmente, as fabricantes de processadores estão em uma corrida para ver quem consegue diminuir ainda mais as distâncias entre os transistores. Para você ter uma ideia, até 2027 a Samsung deve estar produzindo chips de 1,4 nm. A TSMC já começou a produzir chips de 3 nm. As gigantes Apple e Intel já se organizam para lançar chips de 3 nanômetros. E em 2021 a IBM anunciou a criação do primeiro chip de 2 nm.

Portanto, podemos concluir que quanto menos nanômetros, melhor. Além de permitir a inserção de mais transistores, as fabricantes conseguem produzir processadores com mais núcleos ou núcleos mais potentes.

A produção de chips menores mas extremamente potentes é ótimo para a indústria de smartphones. Afinal, qualquer ganho de espaço é fundamental. Lembra que eu falei que quanto menos nanômetros menor o consumo de energia? Pois é, além disso contribuir para uma autonomia de bateria maior, o processador gera menos calor, o que demanda um sistema de resfriamento menos complexo que, por sua vez, gasta menos energia. Ou seja, é um efeito dominó positivo.

Resumindo, os fabricantes de processadores só têm benefícios ao diminuir a distância entre os transistores. Porém, alcançar esses feitos exige investimentos milionários em fábricas, profissionais capacitados e, principalmente, pesquisa e desenvolvimento.

Desafios para diminuir a distância entre os transistores

Diminuir um nanômetro na fabricação de um processador é um desafio imenso e caro. A fabricação de um processador, em si, já é um processo extremamente complexo e rigoroso. Mudar a litografia dos chips, ou seja, o processo de fabricação, pode exigir até mesmo a reestruturação completa das fábricas.

Todos os processadores são montados em cima de uma pastilha (waffle) de silício. Os transistores são montados em cima dessa pastilha e, por serem tão pequenos, exigem o uso de máquinas extremamente caras e avançadas.

Um bom exemplo é a Twinscan NXE:3600D, produzida pela ASML. Em minhas pesquisas, essa foi a única empresa que encontrei que fabrica esse tipo de maquinário. Essa máquina usa a tecnologia EUV (Extreme Ultraviolet Lithography).

Essa tecnologia usa laser e gás xenônio (além de outros elementos) para criar luz com comprimento de onda muito curto. A máquina consegue fabricar chips de 3 e 5 nanômetros. Mas tamanha sofisticação tem um preço, que é de mais ou menos US$ 400 milhões.

Poucas empresas fabricam processadores

Devido ao alto custo e complexidade para fabricar processadores, poucas empresas têm capacidade para isso. As maiores são a Intel e a TSMC. Mas Samsung, UMC e GlobalFoundries também possuem fábricas próprias.

Devido a isso, diversas marcas projetam seus chips mas terceirizam a fabricação. É o caso da AMD, uma das maiores empresas de processadores do mundo. Por exemplo, a TSMC fabricou os processadores AMD Ryzen 7000, lançados em agosto de 2022. Mesmo caso da Apple, Qualcomm e MediaTek.

Mesmo as empresas que possuem fábricas próprias têm seus desafios na confecção dos processadores. A Intel, uma das maiores do segmento, reciclou por muitos anos sua tecnologia de litografia de 14 nm. E só em 2021 começou a produzir processadores de 10 nm.

Além disso, ao aproximar demais os transistores, eles podem atrapalhar o funcionamento um do outro. Por isso que as empresas precisam também encontrar maneiras de otimizar essa miniaturização dos chips.

Processadores com mais nanômetros não ficam obsoletos

No mundo da tecnologia é comum que uma nova tecnologia substitua a anterior completamente. Isso aconteceu com as fitas VHS depois do surgimento do DVD. Depois com o próprio DVD com a popularização do streaming e banda larga de alta velocidade. E os próprios processadores mais recentes, no intervalo de 2 ou 3 anos, substituem completamente a geração passada.

Mas no segmento de semicondutores existe cada vez mais espaço para processadores que utilizam métodos de litografia mais antigos. Por exemplo, imagine as Smart TVs, impressoras, roteadores, painéis de carros, equipamentos médicos, máquinas industriais e uma série de outros dispositivos eletrônicos. Todos estes dispositivos utilizam processadores de 28, 40 e até 65 nanômetros.

Esses chips são fabricados com uma única função em mente. Por isso que o processo de fabricação deles é menos complexo e menos oneroso. Sendo assim, eles ainda encontram bastante espaço no mercado, que cresce cada vez mais com a Internet das Coisas (IoT).

Relação dos nanômetros com a Lei de Moore

A Lei de Moore não é, de fato, uma lei. É, na verdade, uma teoria escrita por Gordon E. Moore em 1965. Moore foi cofundador da Intel. Em um artigo publicado na revista Electronics Magazine, ele disse que a proporção de transistores colocados em um chip dobraria a cada ano por, pelo menos, dez anos.

Alguns anos mais tarde essa “lei” foi revista e atualizada para dois anos. Ou seja, a quantidade de transistores dobraria a cada dois anos. É óbvio que essa teoria não é totalmente exata. Mas, em sua essência, ela ainda está de pé.

A cada nova geração, a quantidade de transistores nos núcleos e processamento só aumenta. Por exemplo, no ano 2000 a Intel lançou o Pentium 4, um dos chips mais famosos de sua época. Ele tem 180 nanômetros e cerca de 42 milhões de transistores.

Comparativamente, o Intel Core i9-13900K, que foi lançado em setembro de 2022, usa uma tecnologia de fabricação de 10 nanômetros. Ele possui cerca de 14 bilhões de transistores. Uma diferença e tanto, não é verdade? Isso mostra que a Lei de Moore ainda está de pé.

Mas não por muito tempo. Os fabricantes de processadores já estão chegando em um nível que exige cada vez mais complexidade para miniatuarizar os chips. Vai chegar um momento em que ou a próxima etapa seja fisicamente impossível ou inviável financeiramente.