O chip do futuro
Novos materiais e conceitos vão revolucionar o cérebro do computador. No século XXI, ele poderá trabalhar com DNA, luz, neurônios, lascas que brilham e novos plásticos. E, quem sabe, até reste algum velho e bom silício para contar a história.
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Atualizado em 31 out 2016, 18h31 - Publicado em 30 jun 1997, 22h00
Ricardo Balbachevsky Setti
Olhe bem para o seu micro. Pense em tudo o que tem dentro dele. Chips, discos, eletricidade. Agora tente pensar em um computador que não tenha nada disso. Absurdo? Não é o que pensa um bocado de cientistas da computação. Espalhados por laboratórios de todo o mundo, eles estão virando a máquina pelo avesso.
Alguns tentam substituir os chips pelo ácido desoxirribonucléico, o famoso DNA, a molécula que carrega a herança genética. Outros querem trocar a eletricidade por luz. Há ainda os que pretendem transformar a memória dos computadores em holografias e substituir os velhos discos que armazenam dados por cubos. A ordem parece ser mesmo quebrar convenções.
Mas não há nada estranho nisso. Desde que surgiu o transistor, há meio século, a cada dez anos, mais ou menos, a indústria da informática sofre uma transformação importante. Pensando bem, já estava na hora de uma mudança radical.
Os genes imitam os números
Como cabe a uma boa história, esta começou numa madrugada. O ano era o de 1993. O matemático americano Leonard Adleman estava lendo um livro sobre genética em sua casa, em Los Angeles, quando, sem mais aquela, teve a idéia que pode vir a mudar completamente o conceito atual de computação. “Eu fiquei tão fascinado com a semelhança entre o comportamento dos genes e o dos números que gritei para minha mulher: ‘Uau, isso é incrível’.”
O cientista fez o relato acima à SUPER como um garoto que revela uma arte. Na verdade, a grande travessura seria feita depois, nos laboratórios da Universidade do Sul da Califórnia.
Adleman mergulhou na pesquisa genética e aprendeu a usar a lógica da organização natural das bases timina (T), adenina (A), guanina (G) e citosina (C) nas cadeias do DNA para solucionar problemas matemáticos. Em novembro de 1994, ele apresentou ao mundo o TT-100, um computador diferente de tudo o que se podia imaginar. Nada de chips ou de placas, só tubos de ensaio e braços mecânicos.
Capaz de resolver um único e pequeno problema (veja no infográfico), o TT-100 seduziu montes de pesquisadores. Um deles, Richard Lipton, da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, conseguiu recentemente fazer operações algébricas usando a idéia de Adleman. “Agora as comportas da represa foram abertas”, comemorou Lipton ao falar com a SUPER. “Usar material genético para fazer cálculos complicados já é uma realidade.”
A grande vantagem do computador de DNA é a velocidade. Para solucionar uma operação, as máquinas de hoje precisam efetuar todos os cálculos possíveis, um a um, e depois analisar as alternativas até encontrar a certa. Já a resposta química é instantânea. É como jogar groselha num copo d’água. O conteúdo fica vermelho imediatamente. Uma beleza, não? Difícil é depois conseguir ler os resultados, já que as seqüências de DNA precisam ser pescadas com a ajuda de um microscópio. É como se você levasse 1 segundo para fazer a conta e uma semana para entender o que significam os números da solução. Resolver essa dificuldade é o grande desafio para o chip de DNA deixar de ser apenas um brinquedo de cientistas malucos.
Teremos de alimentar o computador?
A eficiência dos organismos vivos anda mesmo seduzindo os pesquisadores da computação. Se alguns tentam aproveitar a lógica do DNA, outros estão de olho no funcionamento de certos órgãos, como o fígado, e na capacidade de comunicação de certas células, como os neurônios.
São pesquisas muito recentes, mas já com resultados. Richard Potember, da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore, nos Estados Unidos, fabricou um protótipo de chip de dar arrepios. Ele tem neurônios, as células do cérebro, grudados na placa de silício, no lugar dos transistores (veja o infográfico). É uma rede de comunicação viva, que precisa ser mantida atemperaturas entre 15 e 25 graus Celsius e ter a “cola” renovada a cada 72 horas, para não morrer.
“As aplicações desse chip são inimagináveis”, disse Potember à SUPER. O Instituto Nacional de Saúde dos Estados Unidos já pensa em usá-lo para compreender melhor como os campos elétricos afetam as células cerebrais, sem utilizar animais vivos. Mas o que Potember quer mesmo é criar um computador que utilize seus chips. “Teoricamente é possível”, afirma. “As células do cérebro funcionam como transistores, conduzindo impulsos elétricos.” Até o ano 2000, garante, ele terá um protótipo de computador que integre chips normais e de neurônios. Imagine, será como um bicho de estimação.
Menos assustadora, porém igualmente estranha, é a idéia de Ray Paton, da Universidade de Liverpool, na Inglaterra. Ele quer construir um chip de silício mesmo, mas que trabalhe usando o fígado como modelo (veja infográfico abaixo).
A razão é simples. Para filtrar o sangue, as milhões de células do órgão, chamadas hepatócitos, se organizam em grupos com funções específicas. Algumas são mais adaptadas a trabalhar com a gordura que vem no sangue, outras cuidam de ácidos, como o ácido úrico, e assim por diante. A idéia do pequisador de Liverpool é copiar essa linha de montagem num chip. Ele seria mais rápido, pois teria grupos de transistores especializados em analisar e processar tipos diferentes de dados (veja o infográfico abaixo). “Um chip como esse seria absorvido pelo mercado em três anos”, disse Paton à SUPER.
Cálculos tão rápidos quanto a luz
Pelo que se sabia até pouco tempo atrás, o silício, material com o qual são feitos os chips dos computadores, apesar de ser ótimo condutor de eletricidade, era péssimo condutor de luz. Isso, porém, nunca foi problema, uma vez que os circuitos eletrônicos sempre deram conta das tarefas que as máquinas tinham de realizar. Com o uso cada vez maior das fibras ópticas e dos CD-ROMs, que se utilizam da luz para mani-pular dados, no entanto, a cegueira do silício passou a ser, nos últimos anos, um entrave e os cientistas da área tiveram que se lançar à busca de soluções.
Agora, os resultados desse esforço começam a surgir. Da Universidade de Rochester, no Estado americano de Nova York, Karl Hirschman foi um dos primeiros a cantar vitória. Ele descobriu, no final do ano passado, um novo tipo de silício, chamado III-V, que, além de manter as propriedades conhecidas, é capaz de brilhar (veja o infográfico abaixo).
Daí até o desenvolvimento do primeiro chip opticoeletrônico (que mistura ótica e eletrônica) foi um pulo. Praticamente pronto para sair dos laboratórios, é muito parecido com seus ancestrais, mas faz contato com os equipamentos externos a ele, dentro do computador, por meio da luz (veja o infográfico). “A idéia é construir computadores que recebam dados de um CD-ROM e possam passá-los direto para o chip, sem precisar convertê-los em pulsos elétricos”, disse Hirschman à SUPER. Um computador assim seria muito mais rápido e muito mais seguro, uma vez que a luz, além da velocidade, possui a vantagem de não receber interferências.
Um pouco além dessas maravilhas estão outras, ainda mais incríveis, os chips ópticos. Eles usarão a luz não apenas para o contato externo, mas também para as operações internas do chip. E mais. Em vez de uma linguagem binária (um e zero ou aceso e apagado, no caso da luz), o novo computador teria uma linguagem quaternária, composta pelas cores branco, preto, azul e vermelho (veja o infográfico). “Isso, sim, será uma revolução, pois poderemos elevar todas as velocidades à quarta potência”, disse David Miller, do Laboratório de Engenharia Elétrica da Universidade de Stanford, na Califórnia.
Os cubos ameaçam os discos
No livro Rama II, de Arthur C. Clarke e Gentry Lee, os computadores não usavam discos. Cubos de memória guardavam os dados. Isso era ficção quando Rama II foi escrito, há oito anos. Mas agora está perto de se tornar realidade.
A equipe de Paras N. Prasad, da Universidade Estadual de Nova York, em Buffalo, Estados Unidos, construiu um cubo de plástico capaz de armazenar o equivalente a cerca de 1 000 CD-ROMs em apenas 1 centímetro cúbico. Muito antes, quase junto com Arthur Clarke, há sete anos, o pesquisador Peter Rentzepis, da Universidade da Califórnia, já tinha tentado fabricar esse tipo de memória. Mas ele não tinha lasers suficientemente potentes para o trabalho de leitura dos dados nos materiais então disponíveis. Prasad teve mais sorte. Um plástico recentemente descoberto facilitou o seu trabalho (veja o infográfico).
“Uma coisa é calcular, outra é fazer. Nós fizemos”, disse ele à SUPER, irritado com a citação freqüente de trabalhos que já previam a construção do cubo. Ele fez, é verdade, mas não terminou. Por enquanto, o fantástico componente só funciona com um aparelho de laser que custa cerca de 100 000 dólares. Mas desenvolvimento de tecnologia é assim mesmo. Os passos às vezes são lentos.
Também não deve ser logo que teremos uma memória holográfica para os computadores, apesar da grande descoberta de Rolf Henrik Berg, do Laboratório Riso, na Dinamarca. Berg apresentou ao mundo no fim do ano passado uma nova molécula chamada DNO, que, garante, poderá fazer com que a holografia, antes usada apenas para criar desenhos tridimensionais passe a ser um componente do computador (veja o infográfico). “A teoria é simples”, disse Berg à SUPER. “Se nós podemos ver uma holografia e acreditar que ela é real, o computador também pode.”
Parece impossível, mas na informática não se pode desconfiar de nada. O ritmo das invenções é alucinante. Quem quiser ver o futuro tem que acreditar em visionários como os que a SUPER ouviu para fazer esta reportagem.
Para saber mais
NA INTERNET:
Introduction to DNA Based Computers
https://www.clearlight.com/~morph/dna.htm
Biocontrol Systems
Contas no tubo de ensaio
Os computadores resolvem qualquer problema por meio da soma entre zeros e uns. Para o computador de DNA, o matemático Leonard Adleman estabeleceu que cadeias grudadas ao seu par valem um, as solteiras valem zero. O código está na enzima que cola os pares. Se ela está presente, é um, se não está, é zero. Em excesso, a enzima tem efeito contrário. Assim, a soma de duas cadeias casadas resulta em duas solteiras, ou zero. Traduzido em lotes dessas seqüências, o problema vai para o tubo de ensaio. O resultado pode ser lido no microscópio.
A lógica da química
O computador genético aproveita as ligações naturais do DNA.
Todo o segredo está nestes tubos de ensaio 1: moléculas sintetizadas em laboratório a partir do DNA de ratos. No DNA, quatro bases, as substâncias químicas chamadas timina (T), adenina (A), guanina (G) e citosina (C), se organizam em duas enormes seqüências, ligadas aos pares 2. A computação é feita por meio da manipulação dessas seqüências, quebrando-as e juntando-as com o auxílio de enzimas que são adicionadas pelos braços mecânicos 3. As bases reagem de maneira bem conhecida quando em contato com essas enzimas.
Como foi resolvido o primeiro problema
O objetivo era descobrir como visitar Atlanta, Chicago, Baltimore e Detroit, partindo de Atlanta e chegando a Detroit, com três vôos, sendo que os vôos disponíveis são: Atlanta-Chicago; Chicago-Detroit; Chicago-Baltimore; Baltimore-Detroit.
A resposta é óbvia, mas veja como o chip de DNA chegou a ela.
1 – Para representar cada cidade foi criada uma seqüência de seis bases.
2 – Os vôos foram representados por seqüências nas quais as três primeiras bases eram as três últimas da cidade de origem e as três últimas bases eram as três primeiras das cidades de destino.
3 – O próximo passo foi montar as seqüências complementares das cidades (no DNA, as bases das espirais se unem sempre da seguinte forma: T com A e G com C). Cadeias complementares:
4 – As cadeias complementares foram colocadas num tubo de ensaio com os vôos. Naturalmente elas foram se ligando a seus pares. Assim, os vôos uniram as cidades-origem às cidades-destino, formando muitas seqüências. Por exemplo:
5 – No fim, foram adicionadas ao tubo enzimas que mataram, por corrosão, as seqüências que não continham as quatro cidades e aquelas que começavam ou terminavam com a cidade errada.
6 – A seqüência que sobrou é a resposta certa: Atlanta-Chicago-Baltimore-Detroit.
Engatinhando para o futuro
Os primeiros passos da eletrônica e da computação.
1906 Válvula
É quando nasce a eletrônica moderna. Inventada pelo americano Lee De Forest, a válvula possibilitou o surgimento do rádio, da televisão, do gravador e até dos primeiros telefones sem fio e do computador. Tinha cerca de 5 centímetros de altura.
1943 Colossus
Por muito tempo o Eniac, criado em 1946, na Universidade da Pennsylvania, EUA, reinou como o primeiro computador digital. Agora sabe-se que o Colossus foi construído antes, na Universidade Harvard, nos EUA, para decifrar códigos de guerra.
Olha, mamãe, sem as mãos!
Imagine dar ordens ao seu computador só com o pensamento. Os pesquisadores Hugh Lusted e Benjamin Knapp, da empresa Biocontrol Systems, em Palo Alto, no chamado Vale do Sílicio da Califórnia, Estados Unidos, garantem que isso já é possível. Eles desenvolveram sensores parecidos com esses eletrodos que se colocam na cabeça para fazer exames. Os sensores interceptam ondas cerebrais geradas por pensamentos específicos como SIM e NÃO, LIGAR e DESLIGAR, PARA CIMA, PARA BAIXO, ESQUERDA ou DIREITA. É pouco, mas já é um começo.
Imitação da natureza
Células e órgãos entram nos computadores.
O chip de neurônio
1 – Neurônios (milhares de células) são retirados de ratos. Essas células cerebrais têm, no organismo, o mesmo papel que o transistor nos computadores: transmitir impulsos elétricos.
2 – Esses neurônios são grudados no silício com uma cola feita de enzimas. Muitos morrem, mas os que sobrevivem começam a crescer.
3 – Os técnicos fazem desenhos no silício, assim como fazem com os chips normais. A diferença é que aqui eles usam uma tinta feita de enzimas que atraem os axônios, os prolongamentos dos neurônios.
4 – A placa ganha uma cabeleira de neurônios. Para que as células não morram, a cola deve ser recolocada a cada 72 horas.
5 – No fim, o chip de neurônios funciona exatamente como um chip comum, só que no lugar dos transistores tem neurônios fazendo o papel de conduzir os elétrons.
As lições do fígado
Quando o sangue chega ao fígado, trazido pelos capilares 1, é recebido por grupos de células hexagonais, os hepatócitos 2. Essas células analisam o sangue e se dividem para metabolizar as substâncias presentes na circulação. Há hepatócitos que são melhores para quebrar a gordura. Se tem mais gordura numa determinada área, é lá que eles se juntam. Depois, o sangue sai pela veia central 3.
Os cientistas querem fazer a mesma coisa com o chip. As informações seriam recebidas por pequenos transistores (receptores) localizados nas pontas de um hexágono 1 e direcionados para o local certo do chip especializado em lidar com aquele tipo de dado 2. Depois, sai pelo centro 3. Assim evita-se que o dado percorra o chip todo, como acontece hoje, e o processo ganha velocidade.
Descobertas revolucionárias
Adeus à válvula coincide com maior conhecimento sobre a luz.
1947 Transistor
Cientistas dos Laboratórios Bell, em Nova Jersey, EUA, observam pela primeira vez o “efeito transistor”, ou seja, a amplificação de um sinal ao passar por um cristal semi-condutor. A peça era feita de germânio. O silício veio depois.
1948 Holografia
A existência da holografia é comprovada teoricamente pelo americano Dennis Gabor, mas não existia uma fonte de luz adequada, passível de manipulação, para torná-la realidade. Essa fonte de luz só apareceu em 1960. Chama-se laser.
Superpopulação de transistores
Segundo Gordon Moore, fundador da Intel, a quantidade de transistores no chip deveria dobrar a cada dezoito meses. Essa lei vigora desde 1965. Mas a distância entre as minúsculas peças foi ficando tão pequena que a regra andou correndo o risco de ser revogada. A empresa americana Plasma & Material Technologies é que veio salvar a pátria. Ela desenvolveu um líquido que forma uma capa isolante de 35 nanômetros (bilionésimos de milímetro) em cada transistor. Agora, bem isolados, o número deles pode continuar crescendo.
Duas idéias brilhantes
Como são os chips que usam a luz para trabalhar mais depressa.
O chip opticoeletrônico parece vaga-lume
A informação é processada normalmente, como num chip comum, por transistores grudados numa placa de silício 1. Quando ela vai sair do chip para outros componentes do computador, é transformada em luz por uma célula feita de um silício especial que contém gálio e arsênio e é capaz de brilhar quando recebe impulsos elétricos 2. Como no chip comum, o um da linguagem binária se traduz por um impulso e o zero pela ausência de impulso. No novo modelo, o um vai significar aceso e o zero, apagado.
O chip óptico brilha em cores
A informação trafega dentro do chip e para fora dele na forma de luz, substituindo os elétrons 1. Para isso, milhares de células feitas com o novo silício, que brilha, acompanhadas de sensores óticos, substituem os transistores 2. A informação circula nas cores branco, preto, azul e vermelho. Assim, a linguagem deixa de ser binária e passa a ser quaternária, elevando a capacidade dos computadores à quarta potência.
Duas frentes em progresso
O controle da luz e a criação dos circuitos integrados.
1960 Laser
Previsto por Einstein em 1917, o laser (sigla, em inglês, para “amplificação da luz por emissão de radiação estimulada”) só começou a ser pesquisado pra valer em 1950, pelo físico americano Charles H. Townes. Máquinas capazes de produzi-lo apareceram em 1960.
1964 Integração
Empresas começam a produzir placas com dezenas de componentes eletrônicos (transistores, capacitores, diodos e resistores). São os circuitos integrados. Inicia-se uma batalha para miniaturizar esses componentes que dura até hoje.
A memória após a morte
“É o começo da imortalidade”, exagerou Chris Winter, da British Telecom, principal companhia de telecomunicações da Europa, ao anunciar, há poucos meses, o chip chamado Soul Catcher (capturador de almas). Segundo a empresa, o chip poderá um dia ser implantado no cérebro humano e, com sua memória equivalente a uns 100 000 CD-ROMs, gravar experiências como cheiro, tato, gosto e emoções. Para evitar a rejeição, diz Winter, “talvez ele possa ficar fora da cabeça”.
Quer dizer: o sujeito pode morrer, mas as lembranças que ele tinha vão ficar.
Estranhos armários virtuais
O cubo e a holografia que podem armazenar dados digitais.
Cubo mágico
Nanofatias (com bilionésimos de milímetro) de um polímero (plástico duro) transparente são sobrepostas de forma a montar um cubo 1. As fatias estão impregnadas de partículas fluorescentes.
Cada uma dessas partículas possui a propriedade de emitir um fóton de alta intensidade quando dois fótons de baixa intensidade a atingem 2. Os pontos que brilham representam os uns da informação digital. Eles não precisam ser gravados.
Para gravar os zeros é preciso emitir um raio muito poderoso que mata a capacidade da partícula de emitir o fóton 3. Para ler a mensagem, o sensor emite somente os dois feixes de laser. Quando recebe o fóton de volta, entende um, quando não recebe nada, entende zero.
Memória furta-cor
A holografia é desenhada por meio do alinhamento de microcristais, de modo a refletir e desviar os raios de luz que recebe, criando uma imagem tridimensional feita de pontos vermelhos e azuis 1. O vermelho representa o zero e o azul representa o um.
Uma molécula chamada DNO 2, cuja estrutura é guardada como um segredo de Estado, é distribuída na placa em que a holografia é desenhada. Como uma pequena chave, que é travada e destravada de acordo com a intensidade da luz que recebe, o DNO reflete o azul ou o vermelho. Isso significa que pemite a regravação, o que é essencial para memórias de computador.
Os passos mais recentes
A fibra óptica e o chip abrem caminho para a atual revolução.
1966 Fibra óptica
Dois cientistas da empresa de telecomunicações ITT, da Inglaterra, Charles Kuen Kao e G. A. Hockham, comprovam na prática que a luz pode ser conduzida dentro de tubos de vidro finíssimos. Eles se baseavam nas teorias de John Tindall, de 1870.
1974 Chip
A Intel reúne centenas componentes eletrônicos em uma lasca de silício. É o que conhecemos por microprocessador ou chip (lasca em inglês). A cada nova geração, os chips comportam maior quantidade de transistores e ficam mais competentes.
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