O micromundo dos chips

Fátima Cardoso

Milimétricos condutores de energia são a alma da eletrônica e um dos motores do mundo moderno. Do quartzo ao circuito integrado, sua fabricação exige até trinta etapas, além de extremos cuidados.

São peças dignas de ser apreciadas pelo microscópio: as menores têm 0,3 milímetro de espessura e as maiores medem 0,5 milímetro. As áreas nunca excedem 1 centímetro quadrado. Apesar de tão minúsculas, têm embutidos milhões de transistores por onde se movimentam sem parar sinais elétricos—como carros trafegando em alta velocidade pelas ruas e avenidas de uma cidade bem planejada. Esses ínfimos circuitos incrustados nos faladíssimos chips chegam a medir 1,5 mícron—1,5 milésimo de milímetro—, ou seja, são cinqüenta vezes mais finos do que um fio de cabelo. No entanto, guardam milhões de informações—os chips utilizados nos supercomputadores IBM 3090, por bits. (O bit é a menor unidade de informação de um computador.)

Nas últimas três décadas, o chip — palavra que em inglês significa lasca, fatia ou pedaço — tornou-se a ferramenta mais preciosa da indústria eletroeletrônica mundial. E um pequeno retângulo feito de silício—substância a meio caminho entre os condutores de eletricidade, como os metais, e os isolantes, como a cerâmica usada nas linhas de alta tensão. Por isso é chamado semicondutor. O irrisório tamanho do chip é muito bem aproveitado: ali coabitam componentes de nomes exóticos, como resistores, capacitores, diodos e até os conhecidos transistores. Todos eles, quando conectados entre si, podem provocar resistência, armazenar, amplificar ou interromper a corrente elétrica. Essas possibilidades, devidamente combinadas e traduzidas em números, são a chave de qualquer sistema eletrônico moderno.

Se os chips não fossem capazes de armazenar tantos componentes num espaço tão limitado, não haveria supercomputadores, satélites de comunicação, naves espaciais nem mísseis de guerra. Aliás, não é preciso ir tão longe. Os chips estão presentes nos televisores, equipamentos de som, telefones, calculadoras, relógios, brinquedos e eletrodomésticos. Eles fazem parte de tudo o que se fabrica com um componente eletrônico em seu bojo, seja um autorama ou um liquidificador, o mecanismo de partida de um carro ou as caixas registradoras de um supermercado.

A carreira dessa micropeça é recente, mas meteórica. No final da década de 50, os engenheiros já sabiam que uma onda eletromagnética, produzida por circuitos elétricos poderia transportar milhares de informações através do espaço em poucos segundos. Teoricamente, as possibilidades eram ilimitadas. Naquela época, os transistores feitos de material semicondutor como o silício já tinham substituído as válvulas nos computadores mais rápidos. Mas o que na teoria funcionava perfeitamente, na prática dava errado. Como num jogo de armar, os transistores tinham de ser soldados quase manualmente aos outros componentes de um circuito eletrônico. Em casos mais complexos, podia-se obter até 1 milhão de conexões. Assim, embora já houvesse projetos de supercomputadores, eles esbarravam nesse problema: a tirania do número de conexões que crescia assustadoramente com a complexidade dos circuitos.

Foi quando, em 1958, um engenheiro da Texas Instruments, Jack Kilby, na época com 34 anos, descobriu uma maneira de juntar todos os componentes do circuito numa única pastilha de silício. Em vez de usar circuitos soldados um a um, Kilby percebeu que a adição de determinadas “impurezas”, como fósforo ou boro, numa barra de silício altamente purificado afetaria a mobilidade dos elétrons. Se essas impurezas fossem colocadas em camadas, como num sanduíche, seria possível comprimir todos os componentes de um circuito integrado num único bloco de silício semicondutor. A tendência, com o tempo, foi manter a área do chip e diminuir o tamanho dos componentes, que, empilhados em dez camadas de material, podem medir 10 milionésimos de milímetro cada uma.

Mas, em 1958, não era apenas a Texas Instruments, empresa famosa por ter fabricado os primeiros rádios transistores, que estava interessada em circuitos integrados de silício. Outra companhia, a Fairchild Semiconductor, instalada num vale ao sul da baia de São Francisco, na Califórnia, então uma aprazível área agrícola, também fazia pesquisas semelhantes. Um de seus diretores, o físico Robert Noyce, então com 31 anos, tivera a mesma idéia de Kilby, com a diferença de alguns meses. Entre o tempo que durou a pesquisa e o aparecimento das primeiras peças, já na década de 60, Kilby e Noyce repartiram as honras de serem os inventores dos chips. O local onde funcionava a Fairchild acabaria invadido por gigantes da microeletrônica, tornando-se conhecido como Vale do Silício.

O nome pegou. Outras regiões dos Estados Unidos foram batizadas de Floresta do Silício, Pradaria da Silício, Colinas do Silício e assim por diante. O primeiro chip fabricado em 1958 tinha cinco peças fundidas numa barra de 1,5 centímetro quadrado—hoje, os chips podem ter até 5 milhões de componentes. Em trinta anos, eles diminuíram dez vezes de tamanho e multiplicaram por 1 milhão a capacidade. Isso não aconteceu por acaso.

Como subproduto do projeto espacial americano que levaria o homem à Lua, a microeletrônica foi premiada com grandes investimentos para pesquisa. Mas, nos últimos anos, com a disseminação do uso dos chips, o custo e, portanto, a competitividade das indústrias passou a fazer toda a diferença—e os japoneses tomaram a dianteira no ramo.

Nos próximos dois anos, eles prometem fabricar circuitos de 18 milhões de componentes e até o ano 2000, de 500 milhões—tudo isso no mesmo espaço minúsculo de 1 centímetro quadrado. Então, os supercomputadores já estarão superados, tendo cedido a vez aos chamados ultracomputadores. Se imaginar esses chips do futuro próximo já é difícil, que dirá construí-los. No mundo miniaturizado dos circuitos integrados, um simples grão de poeira pode adquirir as proporções de uma avalanche sobre uma rodovia movimentada. Não é de admirar, portanto, que instrumentos tão delicados exijam uma associação de paciência, capital e cérebro em níveis difíceis de serem igualados em qualquer outra atividade industrial.

Algumas universidades brasileiras já se atrevem a fazer o ciclo completo da fabricação do chip—um processo que envolve mais de trinta etapas—, mas isso não acontece ainda na indústria nacional. “Uma coisa é fazer a experiência em nível de pesquisa avançada”, explica o engenheiro Armando Laganá, da Escola Politécnica da USP. “Outra coisa muito diferente é manter a competitividade industrial.” Antes de pensar na fabricação dos chips, as empresas microeletrônicas devem conseguir silício puro, ou seja, tão limpo que entre 1 bilhão de átomos não haja mais do que uma dúzia de impurezas.

O Brasil possui uma das maiores jazidas de quartzo do mundo, mineral de onde é retirado o silício. Mas entre o quartzo—encontrado até no cascalho à beira dos rios do sul de Minas — e o silício monocristalino dos chips vai uma grande diferença. O quartzo é transformado em silício metálico, depois purificado até tornar-se cristal—mas ainda não está pronto para ser trabalhado. Esse cristal de silício deve ter todos os átomos em seus devidos lugares para que não haja nenhuma imperfeição no material e para que a corrente elétrica que circula pelo chip não sofra alterações. Portanto, ele é fundido em torno de uma “semente”, ou núcleo monocristalino, sobre o qual vão se depositando, já então corretamente ordenados os átomos de silício. Formam-se assim os tarugos—”salames”, de 1,50 metro de altura, fatiados por uma serra de diamante.

As bolachas, ou wafers, como são chamadas em inglês as finíssimas fatias de silício de 3 polegadas de diâmetro, são lapidadas ou polidas como barras de aço de uma usina siderúrgica. Essas lâminas são então divididas em centenas de chips, cujos circuitos, numa etapa posterior, serão gravados segundo um método semelhante ao da fotografia. Na curta história dos chips, esses circuitos já foram feitos a mão, embora atualmente sejam usados computadores gráficos. Curiosamente, são esses computadores que vão desenhar as memórias de outros computadores iguais a eles. Para que os circuitos sejam gravados na chapa de silício, ela é aquecida à temperatura de 1 200 graus centígrados, até que se forme uma finíssima camada protetora de óxido, com uma grande resistência elétrica. Em seguida, se cobre o wafer com material fotográfico, sobre o qual se colocam as máscaras— que se parecem às antigas chapas de vidro usadas em fotografia—onde os circuitos foram fotografados.

Ao submeter o conjunto a radiação ultravioleta, as áreas ocultas pelas máscaras ficam intactas, enquanto a luz atinge o material fotográfico, que se dissolve, deixando livre a camada de óxido de silício. Esse processo é repetido várias vezes, de acordo com o número de máscaras que forem necessárias. Em seguida, pode começar o processo de dopagem, como dizem os engenheiros. O método é o mesmo usado na gravação das máscaras, mas neste caso as áreas livres são bombardeadas ou dopadas com boro, fósforo ou arsênio, as chamadas “impurezas” que vão permitir a condutividade elétrica.

Depois, é preciso cobrir os chips com condutores de alumínio. Numa fábrica onde são feitos todo ano milhões de chips, esses processos ocorrem em salas onde o ar é mais limpo do que nos centros cirúrgicos dos hospitais. As pessoas ali só trabalham de uniformes imaculadamente brancos, com os pés, cabelos e mãos protegidos, pois a poeira trazida por elas pode prejudicar dezenas de chips incrustados numa lâmina.

No futuro, prevê-se que os chips serão confeccionados com materiais supercondutores que, por não oferecerem resistência à eletricidade, podem transmitir sinais ainda mais velozes do que se sonha com os circuitos atuais. Aliás, a preocupação dos fabricantes é conseguir chips que processem informações cada vez mais rapidamente. Para isso, já está sendo usado o arseneto de gálio como material semicondutor. O arseneto conduz elétrons até seis vezes mais depressa do que o silício, além de operar em temperaturas mais elevadas, reduzindo a necessidade de resfriar os computadores e outros sistemas eletrônicos. Como é muito caro, só é utilizado em pesquisas, como as que se desenvolvem na Unicamp, ou em supercomputadores militares americanos ou ainda na fabricação de circuitos para comunicações por microondas.

Independente do material de que são feitos —silício ou arseneto de gálio—, no final de todas as etapas de fabricação os chips ainda estão ligados às centenas num único wafer. Esse wafer então é serrado e os chips, enfim libertos, são soldados aos seus suportes mecânicos, os chamados lead-frames. É um trabalho que no Brasil ainda é mecânico na sua maior parte, além de ser executado. quase só por mulheres. São operárias que vão manusear, interligar, soldar os chips e depois implantar minúsculos fios de ouro que os manterão presos aos equipamentos eletrônicos. Encapsulado num invólucro de epóxi, o chip deixa de ter esse nome. Daí em diante, o retângulo milimétrico de silício passa a ser conhecido como circuito integrado.

O circuito brasileiro

A indústria micro eletrônica nacional tem prazo de dois anos para dominar o ciclo completo da fabricação do chip, conforme compromisso assumido com o Conin (Conselho Nacional de Informática e Automação). O objetivo é dominar a tecnologia tanto nos circuitos digitais, aqueles dos computadores, que lidam com memória, como a dos analógicos ou lineares, que processam dados contínuos, como nos televisores. Qualquer que seja o circuito, a base dos chips é sempre a mesma. Só muda a tecnologia, que permite que um número menor ou maior de componentes seja colocado num único chip.

A SID Microeletrônica, subsidiária da Sharp, com sede em Contagem, a 10 quilômetros de Belo Horizonte, é uma das três empresas brasileiras do setor mais avançadas em termos de tecnologia de chips. Mesmo assim, por enquanto, ela só trabalha com circuitos lineares. “No ano que vem”, prevê seu diretor industrial, o engenheiro Wilson Leal, “começamos a fabricar circuitos para memórias.” As outras duas empresas, Itautec Componentes e Elebra, desenham circuitos e realizam o estágio final de produção do chip—teste, montagem e encapsulamento. O restante é realizado por indústrias estrangeiras.

Só falta ao Brasil dominar duas etapas do ciclo de produção: a purificação do silício, do qual se obtém o cristal cilíndrico, e a elaboração de máscaras, que se segue ao projeto dos circuitos. Embora não seja capaz de transformar o silício metálico em policristal, a empresa paulista Heliodinâmica, especializada em células solares, fabrica o silício sob a forma de cristal puro. O CTI—Centro Tecnológico de Informática —, órgão do Ministério da Ciência e Tecnologia que faz pesquisas em informática, se comprometeu a fazer ainda este ano as máscaras dos chips nacionais.

Imitação de cérebro

No futuro, os chips poderão ser feitos de organismos vivos, tornando- se bem mais parecidos com o cérebro humano do que as atuais microplaquetas de silício. Pelo menos desde 1974, pesquisadores americanos procuram desenvolver chips que copiem a maneira como os neurônios humanos processam uma colossal quantidade de informações. De acordo com esse modelo, os transistores seriam equivalentes às sinapses—ligações entre as células nervosas por onde se transmitem os impulsos. Mas enquanto os primeiros só permitem dois estados—ligado e desligado —, as sinapses têm uma enorme variedade de estados intermediários, que fazem com que as células nervosas tanto sirvam de memória como processem informações de maneira simultânea.

Outro motivo pelo qual os cientistas procuram substituir o silício por matéria orgânica é que o número de componentes existentes num circuito convencional está atingindo seu limite. Para substituir os transistores, pesquisadores da IBM americana, por exemplo, usaram moléculas orgânicas com cargas positiva e negativa. A montagem da experiência foi semelhante à dos circuitos integrados tradicionais, ou seja, foram usadas duas camadas separadas por um isolante, prensadas entre placas metálicas. No Japão, demonstrou-se que uma proteína extraída do coração do cavalo se comporta como material semicondutor.

Em outra pesquisa, dessa vez na Universidade da Califórnia, uma equipe de cientistas se propôs a produzir chips a partir de grandes moléculas de carbono, que possuem propriedades elétricas semelhantes às do silício. Essas moléculas seriam sintetizadas pela Escherichia coli, uma bactéria do intestino normalmente usada em engenharia genética. Os resultados dessa pesquisa vão demorar pelo menos vinte anos. De seu lado, pesquisadores da AT&T Bell Laboratories anunciaram recentemente, num seminário no Canadá, terem desenvolvido chips que imitam o cérebro humano, funcionando como neurônios eletrônicos. Esses chips de 7 milímetros quadrados de área teriam 75 mil transistores, o que equivale à memória de um micro tipo Apple. A idéia é usar esses chips como censores que reconstruiriam funções nervosas lesionadas.

Para saber mais:

Diamante para toda obra

(SUPER número 5, ano 5)

Computadores de pulso

(SUPER número 12, ano 6)

A inteligência do chip

(SUPER número 3, ano 8)