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Querida, o PC engoliu as crianças

Laptops que se transformam em buracos negros, tráfego de informações baseado nas proteínas do DNA, reações de dióxido de carbono com nitrogênio em vez de disco rígido. Prepare seu escritório para o que vem por aí

Robinson Nelson dos Santos

Imagine um computador portátil levíssimo, capaz de calcular em menos de 1 nanossegundo problemas que o melhor computador de hoje levaria a idade do universo para resolver. Ele poderá ser seu um dia, desde que os cientistas consigam contornar alguns probleminhas: reduzir a temperatura interna, que pode chegar a 1 bilhão de graus Celsius e acabar com seu péssimo hábito de criar um buraco negro a cada fim de cálculo, uma ameaça que poderia engolir computador e usuário. Assustado? Pois essa é a projeção feita pelo físico Seth Lloyd, do Massachusets Institute of Technology, o venerando MIT.

Lloyd faz parte de um grupo de cientistas de ponta que estão quebrando a cabeça para resolver um problemão. Você já conhece o postulado criado por Gordon Moore, co-fundador da fabricante de chips Intel. No ano de 1965, Moore afirmou que o número de transistores em cada polegada quadrada de chip dobraria a cada 18 meses. As apostas dizem que a Lei de Moore, como a afirmação é conhecida, talvez conheça seu limite em 2020. De qualquer forma, o tamanho dos transistores aproxima-se rapidamente do limite físico (veja quadro). Nessa situação, a largura dos componentes alcançará 0,1 mícron e suas camadas terão apenas a espessura de alguns átomos. A própria Intel já alertou a comunidade científica sobre o fato, por meio de uma declaração do engenheiro Paul Packan, publicada na revista Science.

O modelo de computador quântico proposto por Lloyd é um de vários que têm surgido nos últimos anos. Todos têm por meta substituir o computador baseado em silício. O laptop imaginado por Seth Lloyd é, certamente, o mais criativo. Para concebê-lo, o físico deixou de lado detalhes, digamos, operacionais. O tipo da tela, a forma do teclado ou o sistema operacional não lhe interessam. Seu modelo levou em conta apenas grandezas físicas, como energia, volume e temperatura. Os atuais 0 e 1 da computação tradicional seriam representados pela posição de partículas dentro de uma caixa ideal de 1 quilo, com capacidade para 1 litro, e a mudança de estado de cada bit seria feita via choque de partículas.

A contra-indicação é que a energia liberada por partículas em choque na velocidade da luz resultaria em temperaturas na casa do bilhão de graus Celsius. Além disso, sucessivas diminuições na caixa – um artifício imaginado para encurtar distâncias de passagens de partículas e, assim, ganhar velocidade – poderiam provocar o surgimento de buracos negros, capazes de engolir tudo o que houver por perto. Mesmo assim, o físico Lloyd imagina que seja possível ler o resultado do cálculo na radiação emanada durante a breve explosão que antecede a evaporação do buraco. Ah, bom.

Em termos de memória, um computador quântico esbarra em dois fatores limitantes: energia e volume. Quanto maior o volume, mais posições uma partícula poderia ocupar dentro dele. Logo, mais estados diferentes seriam possíveis.

O cálculo exato da memória máxima teria de levar em conta os diferentes tipos de partícula em uso dentro do computador. Se toda a massa for transformada em energia, ela será convertida em luz. Logo, a caixa do computador será, na verdade, uma caixa de luz.

Enquanto o “disco rígido” feito de luz não vem, vale a pena sonhar com o holodisco, uma tecnologia em estudo por empresas como Bayer e Imation e prometida para daqui a uns três anos. O holodisco usa hologramas, aquelas imagens tridimensionais feitas de luz. O holodisco da Bayer deverá chegar ao mercado com capacidade de 1 terabit (1 000 gigabits). A base dessa tecnologia é a linguagem binária, codificada em 1 milhão de microespelhos estimulados pela luz de um laser. Os dados obtidos são gravados em um disco de polímero com forma holográfica. Cada espelho contém toda a informação da imagem total, mas de um ângulo diferente.

Não gostou? Que tal o computador óptico? Nesse modelo, os elétrons dão lugar a fótons, que podem caminhar por dutos de vidro sem interferência ou perda de sinal. Transistores ópticos já foram inventados, mas ainda são grandes e desajeitados. Outro desafio é a manipulação do estado do bit em redes de fibras ópticas, um trabalho que teria de ser feito por lentes e prismas.

A tecnologia óptica deve chegar primeiro ao tráfego de dados em massa, via redes de longo alcance. A Agilent Technologies, formada após uma divisão da HP, demonstrou, no começo deste ano, um protótipo de computador óptico que usa bolhas para defletir o raio de luz. Outras companhias não menos importantes, como a Nortel Networks e a Lucent, trabalham em projetos semelhantes.

Outro concorrente disposto a tomar lugar em sua escrivaninha é o computador orgânico, capaz de escrever informações na forma de cadeia de moléculas, como o DNA e o RNA. A estrutura helicoidal poderia ser usada para armazenar informações, como uma fita magnética tradicional. Contudo, em vez de zeros e uns, ela registraria combinações dos quatro ácidos nucléicos A, T, C e G. O desafio, aqui, é torná-lo pequeno e prático: os protótipos já construídos usam um cipoal de tubos com líquido orgânico, criando um cenário digno de filmes B de ficção científica.

Funciona? Bem, em uma dessas experiências, cientistas da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, nos Estados Unidos, criaram um computador baseado em RNA capaz de calcular todos os movimentos possíveis de um bispo em um tabuleiro de xadrez, sem que caia sob o domínio de outro bispo (há mais de 1 000 movimentos possíveis).

Não é de hoje que computadores moleculares povoam a imaginação dos cientistas. Em 1974, os pesquisadores Mark Ratner e Ari Aviram, do Centro de Pesquisas Thomas J. Watson, da IBM, defenderam a idéia de que uma molécula com uma estrutura eletrônica conjugada poderia funcionar como um retificador. Este dispositivo eletrônico básico permite que a corrente flua em apenas uma direção. Quatro anos depois, uma equipe liderada pelo químico japonês Hideki Shirakawa, da Universidade de Tsukuba, descobriu como fazer uma variação de poliacetileno que conduzia eletricidade, alimentando a esperança de que as moléculas desse polímero poderiam funcionar como fios.

O trabalho de Shirakawa, em colaboração com Alan Heeger, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e Alan MacDiarmid, da Universidade da Pensilvânia, levou à conquista do Prêmio Nobel de Química de 2000.

Polímeros condutores de energia já são usados em escudos contra radiação eletromagnética de monitores de vídeo. Os próximos produtos feitos com o plástico semicondutivo de Shirakawa e sua equipe devem ser pequenos displays de telefones celulares e televisores de bolso.

Modelos quânticos, caixas de luz, buracos negros, holodisco. Que tal ar? O código binário de 0 e 1 também é a base dos computadores de ar. O “equipamento” é construído com sistemas de moléculas que podem codificar dois estados distintos (o 0 e o 1) mediante o contato com dois tipos de gases: o dióxido de carbono e o nitrogênio. O químico James Le Clair, do Instituto de Pesquisa Scripps, da Califórnia, nos Estados Unidos, projetou uma molécula que se torna fluorescente quando entra em contato com o nitrogênio e volta ao normal quando encontra o dióxido de carbono. “É a primeira vez que reproduzimos as funções de um interruptor de um transistor a partir de componentes que estão no ar que respiramos”, afirma Le Clair.

Talvez o cúmulo da miniaturização do transistor de silício possa resultar na criação dos computadores molecular e de ponto. No modelo molecular, o transistor é substituído por uma única molécula, enquanto o de ponto usaria um simples elétron. Para que um protótipo seja construído, será preciso vencer formidáveis problemas técnicos, como a produção em massa de fios de dimensões atômicas. Nisso, a nanotecnologia tem muito a ajudar .

O que mais vai pintar por aí? Que tal eletrólise à base de moléculas de água com Ki-Suco? Ou partículas de molho vinagrete? Componentes de feijoada em estado cósmico? O cardápio promete.

Telefonamos para Júpiter

Criar computadores capazes de conversar com o usuário é uma das metas dos cientistas para este século. Um dos protótipos mais avançados é o Júpiter, um sistema desenvolvido pelo Massachusetts Institute of Technology, o MIT. Dispondo de um repertório de 2 000 palavras, o Júpiter responde a perguntas sobre a previsão do tempo em 500 cidades do mundo. Quisemos saber em que ponto nos encontramos nessa interatividade com as máquinas. O repórter Pablo Nogueira discou 001-617-258-0300 e entrevistou Júpiter. Alguns momentos da conversa:

 

– Olá. Bem-vindo ao Júpiter, o sistema de informações climáticas do laboratório de computação do MIT. Você pode desligar ou pedir auxílio a qualquer momento. O que posso fazer por você?

 

– Vai chover amanhã no Rio de Janeiro?

– Eu conheço os seguintes lugares no Estado de Nova York: Albany, Buffalo, Elmira, Ithaca, New York City, Niagara Falls, Rochester, Syracuse, Utica e Watertown. Por favor, escolha um.

 

– Albany…

– Não tenho certeza se entendi bem o que você disse.

 

– Albany!

– Em Albany: tempo parcialmente ensolarado. Temperatura máxima nos 70 graus. Quinta à noite, parcialmente aberto, com mínima de 40 graus.

O que mais?

 

– Como será o tempo em São Paulo?

– Em Atenas: quinta, sol. Máxima de 87 e mínima de 68. Que mais você gostaria de saber?

 

– Vai chover em Natal?

– Que eu saiba não há previsão de chuvas para o Nepal.

 

– E na China?

– As previsões indicam chuva amanhã nas seguintes cidades da China (segue uma impressionante seqüência de 28 cidades chinesas).

Por favor, escolha uma para saber mais.

 

– Vai chover no Chile?

– Que eu saiba, não há previsão de chuvas em Ching Gong.

 

– Amanhã vai estar quente no Piauí?

– Que eu saiba não há dados sobre Karachi (onde será que fica isso?).

 

– Como estará o tempo em São Paulo?

– Em São Paulo: quinta, máxima de 84 e mínima de 68 graus. O que mais?

 

– Vai chover no deserto do Saara amanhã?

– (Silêncio)… Em qual cidade você está interessado?

 

Caramba, por essa não esperava. Fico quieto por alguns segundos. Ele não diz nada. De repente, soa um rápido sinal sonoro.

 

– O que mais!? (sem paciência).

 

Ao ouvir aquela voz de americano bravo, digo adeus e escuto uma gravação com uma despedida educada.

O que vai substituir o silício?

Sulcos microscópicos em silício cristalino, feitos por feixes de radiação ultravioleta. Essa é a receita da fabricação de chips seguida desde os anos 60. Para embutir mais circuitos, a indústria investiu na redução desses sulcos a marcas que hoje chegam a 1/500 da espessura de um fio de cabelo. Se o ritmo for mantido, logo chegará o dia em que um transistor terá o tamanho de uma molécula. Nesse nível de detalhe, as leis da mecânica quântica tomam as rédeas e torna-se difícil saber até mesmo onde foram parar os elétrons.

Graças aos avanços na engenharia de circuitos, pode-se obter cada vez mais com menos. Formas mais recentes de projeto, desenvolvidas nos últimos 20 anos melhoraram sensivelmente as novas gerações de chips. Segundo o professor David Patterson, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, os processadores atuais são quatro vezes mais rápidos do que se previa no começo dos anos 80. “É como se estivéssemos usando computadores de 2002”, diz. Uma tecnologia chave no projeto de processadores mais eficientes é o pipeline. Seu princípio é simples: em vez de executar todos os estágios de uma operação de uma só vez, a arquitetura pipeline permite que uma nova operação comece a ser executada assim que a operação atual passa para o segundo estágio.

O tempo economizado é proporcional ao número de estágios. Os primeiros processadores pipeline tinham cinco estágios; atualmente, oito ou mais estágios são comuns. Para tornar os chips mais rápidos, os designers têm começado a incluir mais hardware para processar mais tarefas em cada estágio do pipeline, um método geralmente definido como superescalar. Os microprocessadores superescalares modernos tentam executar de três a seis instruções por estágio. Dessa forma, um microprocessador de 250 MHz superescalar de quatro vias pode executar 1 milhão de instruções por segundo. Na próxima década, um microprocessador poderá tranqüilamente lançar dúzias de instruções em cada estágio.

Embora os chips tenham atingido um grau elevado de desempenho, os chips de memória não melhoraram no mesmo ritmo, pelo menos em velocidade. Para reduzir a diferença entre o poder dos processadores e a lentidão da memória, criou-se uma memória rápida intermediária, chamada cache. Os dados e as instruções mais utilizados podem permanecer no cache enquanto o processador estiver trabalhando. Dessa forma, os dados estarão sempre à mão. Alguns novos chips dedicam mais transistores ao cache do que ao próprio processador. “Os futuros microprocessadores terão mais espaço de cache, para melhor superar essa diferença de desempenho”, diz Patterson. Uma boa novidade vem da IBM. Trata-se do Magnetic RAM, um projeto liderado pelo físico Stuart Parkin no Centro de Pesquisas de Almaden, na Califórnia. “São novos chips de memória ultrarrápidos, que consomem menos energia e armazenam dados de forma permanente”, afirma. Esse último recurso pode acabar com a espera quando se liga o computador. O segredo da MRAM chama-se Spintronic, uma tecnologia que detecta e controla a movimentação de elétrons em materiais ferromagnéticos. O desempenho é invejável: 2,3 nanossegundos, bem menos que os 10 milissegundos das memórias convencionais. Mas não adianta ter pressa. Segundo a IBM, a MRAM só deve ser padrão de mercado em 2010. O desafio da indústria de semicondutores não é apenas técnico: é também econômico. “O custo da construção de uma fábrica de chips de silício dobra a cada dois ou três anos. Hoje se fala em plantas de 10 bilhões de dólares. Em 2010, uma fábrica custará 30 bilhões de dólares ou mais”, diz o chefe do laboratório de pesquisa básica da HP, Stanley Williams. “Ao mesmo tempo, os transistores estão começando a experimentar algumas limitações físicas e materiais provenientes da alta miniaturização. O número de elétrons utilizados para mudar o estado de um transistor está na casa das centenas e se for reduzido ainda mais haverá problemas com flutuações estatísticas que poderiam mudar o estado de forma aleatória.”

Sem investimentos para avançar na forma clássica de fazer chips, Williams aposta em um processo químico como alternativa à litografia usada atualmente. “O uso de luz para gravar padrões em chips de silício é um processo muito caro”, diz. A proposta de Williams prevê a fabricação de circuitos mais simples. Curiosamente, eles seriam mais propensos a erros, mas também seriam capazes de descobrir e isolar um circuito defeituoso. “A arquitetura que desenvolvemos leva em conta que os sistemas têm diversos defeitos de fabricação. Por isso, a chamamos de tolerante a defeitos. No futuro, toda máquina com peças de escala molecular terá de obedecer a princípios de tolerância a defeitos, porque é impossível fazer coisas tão pequenas com perfeição.”