Computação ótica: o computador com a velocidade da luz!

Pesquisadores do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) demonstraram o primeiro laser feito a partir de germânio, que pode definir novos rumos para a transmissão de dados através de chips de silício.

Segundo os pesquisadores, a expectativa é que este novo tipo de laser melhore as conexões elétricas convencionais. Neste artigo, você vai saber mais sobre o germânio e como ele poderá ser o grande passo de uma nova era: a computação ótica.

Germânio

Em 1869, o químico russo Dmitri Mendeleev deduziu a existência deste elemento e suas propriedades, mas foi somente em 1942 que o químico alemão Clemens Alexander Winkler o isolou e batizou de germânio, o elemento de número atômico 32 da tabela periódica.

O germânio é um metaloide (ou seja, tem aspecto de metal, mas não age como um) rígido, lustroso e acinzentado, pertencente ao grupo do carbono e tem propriedades semelhantes aos “vizinhos de tabela periódica” estanho e silício. Trata-se de um importante semicondutor utilizado extensamente em transistores e outros dispositivos eletrônicos, também encontrado em sistemas de fibra ótica e de infravermelho.

No futuro, um computador com a velocidade da luz?

O processador de um computador “pensa” as informações e as transmite através de minúsculos circuitos elétricos. O desenvolvimento de processadores caminha a passos largos, e a tendência é que eles fiquem cada vez mais rápidos. Para acompanhá-los, os circuitos atuais precisarão de mais e mais energia. Logo, pesquisadores focam em maneiras mais práticas para enviar dados rapidamente. Uma alternativa é o uso de sistemas óticos de comunicação, como o laser.

A transmissão de dados com laser pode ser uma alternativa mais barata e eficiente aos circuitos eletrônicos atuais. Esta área é conhecida por computação fotônica e vem chamando a atenção de pesquisadores. Você pode saber mais sobre os princípios da fotônica clicando aqui.

O uso de um feixe concentrado de fóton pode ser usado para representar um bit em um número binário. Os novos materiais condutores que usam luz são menores e muito mais rápidos que transistores de silício — uma corrente elétrica atinge cerca de 10% da velocidade da luz. As pesquisas recentes unem o uso da luz com outras áreas da tecnologia. O LCD, por exemplo, altera a polarização da luz para formar as imagens.

Para atingir esse objetivo, é necessário que uma fonte envie uma frequência específica de luz para que o processador determine de onde a informação vem. Então essa frequência é dividida em 16 extensões, cada uma representando um dígito hexadecimal. Tem-se então a comunicação direta, sem a necessidade de converter para dígitos binários.

Um dos principais benefícios da computação fotônica é a menor quantidade de calor. A corrente elétrica de um computador gera muito calor, e a tendência é gerar ainda mais para suprir a demanda, uma vez que os componentes estão cada vez mais rápidos. Já a luz, independente da quantidade utilizada, gera quantidades insignificantes de calor.

Outra vantagem é que feixes de luz podem se cruzar, mas um não interfere no outro. Já correntes elétricas não podem se cruzar, exigindo caminhos definidos. Por esta razão, um computador ótico pode ser, além de mais rápido, menor que um computador eletrônico.

Como toda pesquisa científica, há otimismo por parte dos envolvidos, mas a aplicação prática e a disponibilidade no mercado em larga escala dependem de uma série de fatores. Engenheiros creem que essa transição aconteça em áreas especializadas uma a uma. As pesquisas atuais focam em criar componentes atuais por equivalentes óticos, pois a criação de uma máquina totalmente ótica ainda esbarra em muitos empecilhos.

A expectativa é que os computadores executem cálculos com luz e eletricidade, mas não há a ideia de substituir esta última completamente. A princípio, luz e eletricidade trabalharão em conjunto para tornar a comunicação interna de circuitos elétricos mais eficiente. O avanço mais significativo desta área de pesquisa é a fibra ótica. Aparelhos como leitores de CD, impressoras a laser e scanners utilizam tecnologia ótica, porém eles ainda recorrem a circuitos eletrônicos para funcionar.

No momento, o laser de germânio do MIT opera em um ambiente com temperatura controlada e ainda consome uma quantidade alta de energia, que espera-se ser reduzida.

Ainda levará tempo para descobrir como integrar plenamente o laser de germânio ao processo de fabricação de um chip. O computador fotônico também é algo que ainda está no papel. A partir do momento em que processadores tiverem laser interno, então esta realidade estará mais próxima.

Para os mais curiosos

Os semicondutores utilizados atualmente em lasers não se “encaixam” bem com os materiais dos processadores de silício. É necessário construí-los separadamente e então enxertá-los no chip, o que deixa o processo muito caro e demorado, praticamente inviável.

O germânio é um semicondutor que pode ser integrado ao processo de fabricação de chips de silício com menos dificuldades, tanto que fabricantes de semicondutores já são capazes disso. O laser de germânio, portanto, pode ser o passo definitivo para o uso de luz em circuitos de computadores.

As pesquisas com germânio não são de hoje. Em janeiro de 2008, já era apontado como o elemento capaz de integrar a velocidade de conexões óticas com os circuitos integrados de chips de silício. Naquela época, a National Taiwan University revelou a operação de um laser de germânio em um ambiente condicionado. No entanto, esse laser não estava aplicado ao silício.

O desafio era encontrar o material ideal que pudesse ser integrado ao silício durante a fabricação do processador. De fato, lasers de silício já foram desenvolvidos, porém só podem emitir luz quando “ajudados” por outro laser, o que os tornam inutilizáveis para transferências entre chips de computador.

A Intel — gigante fabricante de processadores — já desenvolveu um laser híbrido, teoricamente mais aplicável que o modelo do MIT. No entanto, os pesquisadores de Massachusetts garantem que já desenvolveram um aparato mais viável e este será divulgado em breve.

Uma guinada nos estudos

Para compreender a importância do germânio, é necessário entender o conceito de banda de Valencia. Em física, o termo define um espaço ocupado por elétrons que se afastam de um núcleo após a aplicação de algum tipo de energia. São lacunas eletrônicas, ou seja, buracos que serão preenchidos com outro material.

Os semicondutores são divididos em dois grupos: os com lacunas diretas na banda de Valencia e os com lacunas indiretas na banda de Valencia, como germânio e silício. Simplificando tudo, lasers feitos de semicondutores funcionam da seguinte maneira: adiciona-se energia a um elétron, que então pode atingir dois estados. No primeiro, ele libera energia como um fóton e gera o laser, enquanto no segundo ele a libera de outras maneiras, como calor.

Um elétron energizado ocupa naturalmente o estado de menor energia que ele pode encontrar. Em materiais com lacuna direta, o estado de emissão do fóton tem menos energia que o estado posterior; em materiais com lacuna indireta, acontece exatamente o contrário. Portanto, tais elétrons tendem a não emitir o fóton em materiais de lacuna indireta. Logo, considera-se que semicondutores de lacuna indireta não são capazes de produzir laser.

Em outras palavras: os elétrons estão em um núcleo. Cutucados com energia, eles ficam em posição de repouso. Então dependem do tipo de condutor utilizado para saber o que fazer. Um condutor com lacuna direta chama os elétrons com pouca energia e os transformam em luz, mas um condutor com lacuna indireta já precisa desses elétrons com muita energia.

Por isso, materiais com lacuna indireta, até agora, eram considerados incapazes de produzir laser. Porém, mais do que a demonstração do laser, os pesquisadores acabaram com esse conceito largamente difundido. Eles conseguiram fazer com que o germânio alcance o estágio de emissão de fóton de duas maneiras.

A primeira é conhecida como “doping”, na qual átomos de outro elemento são adicionados ao cristal do semicondutor. Nesse caso, pesquisadores adicionaram fósforo ao germânio, o que permitiu que o germânio atingisse o estágio para emitir o laser.

A segunda maneira foi diminuir a diferença da quantidade de energia entre os dois estágios de energia para aumentar as chances de os elétrons emitirem fóton. Silício e germânio têm propriedades térmicas diferentes, então o aquecimento do processo de fabricação modificou a estrutura da banda de Valencia, diminuindo essa diferença de energia.

Um elétron energizado sai da banda de Valencia (verde) para a banda de condução (laranja). No caminho, ele vai ocupar o estado de menor energia que encontrar. Com um condutor de diferença indireta de lacuna, essa energia não é suficiente para emitir o laser. Os pesquisadores do MIT completaram essa diferença com fósforo adicionado ao germânio.

Quando um elétron chega à banda de condução, ele deixa um buraco na banda de Valencia. Os pesquisadores injetam pares de elétrons e buracos ao germânio. Quando os elétrons injetados encontram o estado de menor energia, eles se espalham, se realinham e emitem a energia de sobra como fóton de laser.

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