A história do microchip

Microchips, ou circuitos integrados, estão por todos os lugares. No televisor da sala, mesmo que seja ainda de tubo, no computador e celular. Se é eletrônico, há um circuito integrado, pode ter certeza disso. Mas de onde eles surgiram?

Chips são componentes eletrônicos que nasceram pela pressão do progresso da nossa sociedade por soluções que oferecessem mais desempenho e eficiência no processamento de dados. Em resumo, você pode resumir um microchip em um minúsculo coletivo de transistores e outros componentes, cuja utilidade é transformar energia elétrica em dados binários, ou informações.
Origem
Antes do aparecimento do transistor, um computador ocupada andares, pesava toneladas e ninguém se arriscava a confiar na sua vida útil, porque independente do recurso técnico utilizado, ela era medida em espaços de tempo muito curtos. Para continuar operando, por exemplo, um computador precisava trocar de válvulas a todo momento. Elas simplesmente queimavam.
Computadores podiam usar relês ou válvulas, ou as duas coisas. Relê consistia em um elemento magnético, cuja movimentação determinava um valor binário: ou 0 ou 1, ou ligado e desligado. O movimento de algo muito parecido com um êmbolo a partir de um pulso elétrico selava ou abria o circuito. Embora mais confiáveis que as válvulas a vácuo, os relês eram clamorosamente mais lentos. Sim, se você se surpreendeu com o fato de que um computador processava informações com partes mecânicas, você entendeu bem a ideia por trás do relê.
As válvulas eram bem mais rápidas que os relês, até 1 milhão de vezes, mas terrivelmente suscetíveis a quebras. Consistiam em uma câmera de vácuo por onde os elétrons fluíam num filamento, que era o cerne das quebras. Com o tempo, o aquecimento fazia com que ele perdesse a efetividade – assim como as lâmpadas de tungstênio, que com o tempo acabam queimando. Era o fluxo de elétrons na válvula, que podia ser cessado ou intensificado nela, que fechava ou abria o circuito, determinando as posições “ligado e desligado” do sistema binário, presente até hoje na tecnologia.
Quanto maior e mais poderoso o computador, mais válvulas ele tinha. Digamos que um computador da época ocupa-se cinco andares. Todos eles com milhares de válvulas operando. Neste cenário, é uma aposta mais ou menos segura dizer que há grande possibilidade de que, em algum lugar do complexo, ao menos uma válvula quebre por um espaço de minutos. Imaginem o trabalho de percorrer todas as unidades reparando as válvulas queimadas. Tudo isso para processar tarefas que calculadoras embutidas no seu smartphone hoje realizam com muito mais elegância.
Semicondutor
Na escola você deve ter aprendido que metais são excelentes condutores de energia e calor. E que os não-metais são excelentes isolantes de calor e energia. Isso é verdade, mas há exceções: alguns materiais têm um comportamento intermediário, em alguns momentos conduzem energia, e em outros isolam. São os chamados semicondutores, dos quais o silício é, hoje, por larga margem, o mais conhecido e difundido.

O fato do silício poder conduzir ou isolar energia faz com que ele possa ser usado como uma chave, assim como o relê ou a válvula, entre posições binárias. Com a grande vantagem de que permite que os fluxos de elétrons da energia precisem percorrer distâncias bem pequenas no silício, sem a necessidade de filamentos frágeis e partes mecânicas.
Transistor
Um microchip, como um processador, pode ser entendido como um amontoado de transistores trabalhando simultaneamente para alcançar maior desempenho em cálculos – ou ligar e fechar circuitos binários – por segundo. Por exemplo, um processador da arquitetura Bulldozer da AMD pode ter impresso no seu die (entenda esse termo como lâmina ou waffle) de silício até 1,4 bilhão de transistores.
O transistor substitui as válvulas e relês com vantagens evidentes: é minúsculo, consome quantidades dramaticamente inferiores de energia, sua durabilidade atravessa anos – se não mesmo décadas a fio – e os custos de produção de um transistor comum são relativamente baixos.

Se você entendeu para que serviam relês e válvulas, fica fácil entender para que servem transistores. Eles bloqueiam eletricidade, ou a amplificam, dependendo da necessidade. Foi criado por técnicos e cientistas da Bell Telephone Laboratories em 1947. O time foi composto por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, que por conta do feito, conquistaram o Nobel de Física.
O microchip
Se o transistor foi fruto da necessidade de abandonar os lentos relês e as para lá de problemáticas válvulas, o microchip foi a evolução que nasceu da necessidade de melhorar o desempenho dos transistores. O ano era 1959. Ou 1958, se você considerar Kilby o pai do circuito integrado.
Um microchip resume-se num circuito eletrônico integrado miniaturizado e produzido na superfície de um material semicondutor, como o silício (outros podem ser usados, como germânio e molibdenita).
Mas o que levou a necessidade de condensar transistores e outros elementos no silício de modo a nascer um chip? A resposta é a mesma que explica o por quê da Intel criar uma arquitetura de processadores tridimensionais, ou da ARM passar a criar processadores multicore: a crescente necessidade de desempenho.
O circuito integrado que entendemos como microchip é mais resistente porque seus diversos componentes são formados, impressos, no silício, e não montados, como antigamente. Nesse sentido, possuem uma resistência a choques mecânicos e elétricos consideravelmente maior e sua taxa de defeito de fabricação cai a níveis desconsideráveis, quando leva-se em conta a produção de massa.
Além destas questões, há o óbvio: caso o microchip não existisse, o celular seria possível com uma coleção de transistores, por exemplo. Mas talvez você precisasse de um automóvel para carregá-lo consigo. As principais forças motrizes que empurram a indústria de semicondutores são sempre a miniaturização e a melhora de desempenho, considerando também a redução de custos de produção.
Há muita divergência sobre os inventores do microchip. Diversas pessoas escreveram sobre o assunto, documentaram suas ideias e mesmo registraram patentes de transistores integrados. Mas dois sujeitos tiveram um papel mais destacado no processo e são considerados os dois grandes responsáveis: Jack S. Kilby, da Texas Instruments – que até hoje fabrica microchips – e Robert N. Noyce, recentemente homenageado por um Doodle. Ele trabalhava na Fairchild Semiconductor, de cujas entranhas nasceu a Intel.

Tanto Kilby como Noyce se viam às voltas com a necessidade de condensar os componentes de um circuito em um único die de silício. A solução de Kilby era construir tudo sobre uma base de germânio, e não silício, e interconectar os elementos com pequeninos fios (como você viu na foto que abre este texto). Noyce, cuja técnica evoluiu ao que temos hoje, criou filamentos de ouro e alumínio entre os componentes. Isso permite pastilhas de silício com níveis altíssimos de pureza, mais velocidade e eficiência.
Atualmente
O microchip cresceu em desempenho, utilizações, versões, tipos de componentes e processos de manufatura, mas sempre procurou encolher em tamanho e custo. É a chamada Lei de Moore: “o número de transistores de um chip terá um aumento de 100% a cada 18 meses pelo mesmo custo”.
A Lei ainda se aplica, mas há limites teóricos: estima-se que o silício torna-se impossível enquanto substrato dos microchips depois dos 14 nanômetros (1 nanômetro é 1 milionésimo de milímetro). É um limite teórico que instiga os novos Noyce a criar novas soluções que abandonem os waffles de silício. Ou que evolua a tecnologia a ponto de que o silício seja viável em nível inferior a 14 nm.