NASA está desenvolvendo transistor 10 vezes mais potente que o de silício

Nos primórdios da era da computação — anos 40 e 50 — os computadores eram feitos de válvulas termiônicas, dispositivos grandes, quentes e desajeitados que acendiam como lâmpadas. É por isso que os primeiros computadores, como o ENIEC, pesavam mais de 27 toneladas e consumiam mais energia que uma cidade pequena.

Mais tarde, obviamente, a válvula termiônica foi substituída por uma das maiores invenções de todos os tempos, o transistor de estado sólido, que permitiu a criação de computadores menores, mais rápidos, mais baratos e mais confiáveis.

De volta a 2014, o transistor de feito de campo CMOS começa a mostrar que envelheceu. Já chegamos ao limite desses pequenos transistores de silício e eles não conseguem mais operar em velocidades maiores do que alguns gigahertz.

E é por isso que o centro de pesquisas Ames Research Center da NASA está trazendo de volta para o futuro seu novo transistor termiônico, uma válvula termiônica de escala nanométrica que, só nos primeiros testes, já alcançou velocidades superiores a 460 GHz.

Como eram as válvulas convencionais

As válvulas tríodos originais — o bloco principal construído nos primeiros computadores — consistia em três elementos separados dentro de uma lâmpada de vidro. Eram eles o cátodo, que emitia elétrons; a grade de controle; e um ânodo, na parte exterior. Quando uma voltagem é aplicada à grade, elétrons fluem livremente ao redor do vácuo, do cátodo ao ânodo.

Seu modo de funcionamento é idêntico a como os transistores de estado sólido atuais funcionam — uma comporta que controla o fluxo de eletricidade da fonte para o dreno. O problema principal, no entanto, é que o cátodo tinha que ser aquecido por um filamento para emitir elétrons. E onde há calor, há muito consumo de energia, desgaste e rompimento.

E como nós sabemos, não é incomum que computadores baseados em válvulas antigas quebrem poucas horas depois que uma válvula se queima. Esse “pequeno” inconveniente gerou muito prejuízo e frustração para muita gente por muitos anos, até a descoberta do transistor MOSFET, o que fez com que as válvulas termiônicas sumissem por 40 anos, sem deixar saudade. Bom, isso até agora.

De volta para o futuro

O Ames Research Center tem trabalhando ao longo de muitos anos no transistor de canal de vácuo, que basicamente é uma válvula termiônica que pode ser fabricada usando técnicas dos convencionais CMOS. Em vez de uma comporta separando a fonte do dreno, existe... nada. Um vácuo.

Através do método conhecido como “emissão de elétrons por campo”, os elétrons são puxados através do vácuo da fonte para o dreno quando uma corrente é aplicada à comporta, como é possível ver no diagrama acima.

Usando a emissão por campo no lugar da emissão termiônica, esses transistores não requerem uma fonte de calor — na verdade, eles não precisam nem mesmo de vácuo, usando hélio no lugar. Os elétrons também atravessam a abertura de ar muito mais rápido do que se eles tivessem de passar pela comporta de elétrons.

Expectativas de implementação

No fim, esses transistores a vácuo, ainda que soem meio malucos, são surpreendemente viáveis, podendo ser fabricados em processos que já existem. O acondicionamento do hélio é algo um pouco mais complicado, mas os pesquisadores da NASA acreditam que as técnicas usadas nos sensores microeletromecânicos (MEMS) — giroscópios, acelerômetros — podem funcionar com seus incomuns transistores.

Já nos testes iniciais, um transistor a vácuo conseguiu operar em 460 GHz, uma frequência 10 vezes maior do que os transistores convencionais atuais. Agora, a NASA precisa enfrentar o desafio de qualquer nova tecnologia: após criar um único exemplar em laboratório, é necessário planejar como fabricar isso em larga escala.

Lembrando também que os testes ainda estão no início e muitos problemas logísticos e de funcionamento podem surgir até que o dispositivo esteja totalmente pronto. Mas torcemos que eles tenham sucesso nisso, uma vez que a tecnologia digital do mundo pode ser completamente transformada e todos nós venhamos a colher os benefícios disso. Imagine as possibilidades.