Chips de vidro: alternativa aos chips tradicionais

Em vários artigos anteriores, reflectimos sobre os riscos dos chips tradicionais usados relativamente a questões tais como defesa, soberania, geo-estratégica e geo-política. De igual modo, também se referiu a predominância da China nestas matérias porque tem mais de 80% do controlo transversal de toda a cadeia de produção de chips tradicionais, começando na extração das matérias primas que são usadas para esse fim e acabando na produção dos chips e de bens de consumo que os usam, tais como todo o tipo de baterias, telemóveis, LCD, automóveis ou equipamento militar.

A este propósito, recordemos a recente crise na produção de automóveis na altura em que havia escassez de chips convencionais. Contudo, este quadro está a mudar em resultado da actuação de vários agentes de mercado. Na raiz desta mudança está o investimento na ciência pura. Porquanto, o gigante INTEL começou há quase 20 anos a estudar a possibilidade de construir chips em vidro.

O vidro traz várias vantagens para as regras de design que a companhia pretende usar, porque este material permite que mais chiplets sejam usados em uma área concentrada, permitindo uma maior interconectividade de componentes, um IO mais rápido e uma maior eficiência energética. Acresce que os substratos em vidro permitem trabalhar com pacotes com tamanhos maiores, além de serem mais planos e termalmente estáveis. A intenção da companhia é usar a tecnologia para colocar uma quantidade 50% maior de chips em um substrato do que seria possível usando as soluções orgânicas adotadas atualmente por ela.

Os primeiros produtos funcionais a receber chips em vidro deverão ser processadores voltados para bancos de dados e para a inteligência artificial, que estão a lidar com um crescimento de tamanho considerável em tempos recentes. Os primeiros a recebê-lo devem ser processadores voltados para bancos de dados e para a inteligência artificial, que estão a lidar com um crescimento de tamanho considerável em tempos recentes.

A longo prazo, a Intel acredita que a tecnologia poderá ser aplicada a todas as categorias de produtos possíveis. No momento, esta empresa já tem alguns chips em fases de testes, que ainda estão a passar por ajustes nas suas propriedades mecânicas, termais e elétricas. Por outras palavras, a companhia ainda está a ajustar a ‘fórmula correta’ para criar substratos otimizados para os seus propósitos.

Uma das principais dificuldades com a produção de chips de vidro para utilização fora do ambiente laboratorial é o tamanho. Porém, a tecnologia deu recentemente uma resposta exequível para esta questão. Na verdade, a miniaturização das tecnologias fotónicas é um dos principais entraves para a substituição da eletricidade pela luz dentro dos chips, devido sobretudo à dificuldade de construir lentes, espelhos e guias de onda nas dimensões ultraminiaturizadas necessárias para isso.

Também a Hitachi criou, há 12 anos, um chip que prometia ser capaz de armazenar dados por algumas centenas de milhares de anos. Através da alternância de camadas para o armazenamento de informações, o produto pode guardar 40 MB de dados a cada polegada quadrada. O vidro de quartzo é capaz de resistir a condições extremas e isso explica sua capacidade de guardar dados por tanto tempo. Ele pode, por exemplo, ser submetido a uma temperatura de mil graus celsius por duas horas e é quimicamente inerte a grande parte dos ácidos e compostos conhecidos, que destruiriam qualquer unidade flash em questão de minutos.

O chip armazena dados a partir da alternância de camadas, onde as informações são escritas por pontos. De acordo com a Hitachi, a densidade de 40 MB para cada polegada quadrada é equivalente à capacidade de um CD comum – o que torna a tecnologia competitiva. Ainda segundo a empresa, adicionar novas camadas - o que aumentaria o rendimento do ‘disco’ - não deve ser um problema.

A tecnologia da Hitachi admite a possibilidade de oferecer um modelo prático de armazenamento e que eleve a resistência dos suportes de dados para milhares de anos. Hoje, um disco rígido resiste, na melhor das hipóteses, a pouco mais de um século.

Agora, um novo processo desenvolvido por Jens Bauer e colegas do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha, permitiu pela primeira vez a ‘impressão’ de estruturas de vidro de quartzo em escala nanométrica diretamente nos chips semicondutores. Como o processo funciona sem sinterização, as temperaturas necessárias são significativamente mais baixas. As temperaturas necessárias para a sinterização de nanopartículas de dióxido de silício ficam acima dos 1100°C, o que é muito quente para deposição direta em chips semicondutores.

Na sinterização, um pó é transformado em sólido por meio de compactação e aquecimento, mas no novo processo uma resina híbrida de polímero orgânico-inorgânico é usada como matéria-prima para a impressão 3D do vidro (dióxido de silício). A temperatura necessária é apenas metade da usada no processo tradicional, uma vez que é necessária apenas para volatilizar o componente orgânico da resina depois que o componente já está pronto.

Isto permite construir os componentes ópticos em escalas micro e nano dentro dos chips, viabilizando muitas novas aplicações em óptica, fotónica e mesmo nas tecnologias tradicionais de semicondutores.

Já no final do ano passado, a AMD obteve uma patente de substrato de vidro para produção de chips mais eficientes e resistentes. A solução, já anunciada por rivais como a Intel e a Samsung, promete abrir novas possibilidades para CPUs e outros semicondutores, graças à maior rigidez, eficiência energética e durabilidade frente a altas temperaturas.

A patente foi requerida em 2021, mas concedida apenas nesta semana (21 de março), a patente da AMD prevê a substituição de materiais, como a resina e o cobre, pelo vidro na fabricação dos substratos.

O substrato é a ‘base’ de um processador, sobre o qual são instalados os componentes de processamento. Pense nele como a fundação de uma casa, que fornece rigidez e estabilidade para que a casa — no caso, a CPU propriamente dita — possa ser construída sem problemas. Atualmente, a maioria dos substratos é fabricada com compostos orgânicos, resinas, silício, cobre e fibra de vidro, o que impõe algumas limitações em relação à quantidade de componentes que podem ser instalados, à eficiência energética e à rigidez — motivo pelo qual é comum vermos placas de metal em torno deles.

A adoção do vidro como principal material permite múltiplas vantagens, tais como elevada planicidade (o quanto uma peça é plana), maior rigidez, estabilidade das dimensões e maiores resistências térmica e mecânica, aspectos essenciais quando falamos de áreas como servidores e data centers, em que há uso pesado dos chips e um nível bem elevado de calor. No entanto, a tecnologia tem seus próprios desafios, que são mencionados pela patente, começando pelas Through Glass Vias (TGVs, ou vias através do vidro).

Sendo uma espécie de caminho vertical por onde dados e energia passam, as TGVs vão exigir novos métodos de fabricação, com o uso de lasers e até de instalação por campos magnéticos estando entre as soluções possíveis. Outras dificuldades são a implantação das camadas de redistribuição, por onde passam as trilhas que transmitem os dados e eletricidade para diferentes partes do processador.

A expectativa é que essas camadas continuem a utilizar cobre e materiais orgânicos, mas agora só poderão ser instaladas de um lado do substrato, também exigindo novas técnicas de fabricação. Seguindo a alegoria de uma casa, as TGVs e as camadas de redistribuição seriam como os encanamentos e as estruturas necessárias para que esses canos sejam instalados.

Um dos pontos mais inovadores da patente é um método de empilhamento de substratos de vidro com uma ligação elétrica de cobre (copper bonding), em vez de pontos de solda, permitindo uma junção mais limpa e uniforme das placas, e o uso do substrato de vidro em inúmeras aplicações, incluindo processadores mobile (notebooks, tablets, etc.), o que significa que a técnica deve ser aplicada em chips para consumidores.

A AMD é a única entre todas as companhias que trabalharam nos estudos do vidro em substratos a não fabricar os próprios processadores, dependendo maioritariamente da TSMC. Há diversas explicações para isso: ao obter a patente, a gigante evita ser enquadrada por rivais que possuam tecnologias similares. Além disso, a empresa possui um laboratório interno de pesquisa para personalização de processos de fabricação de parceiras, caso do próprio 3D V-Cache de CPUs como o Ryzen 7 9800X3D.

Um dos principais campos de utilização no futuro de chips de vidro serão os centros de dados. Estes representam atualmente cerca de 1% a 1,5% do consumo mundial de eletricidade, de acordo com a Agência Internacional de Energia. Na Irlanda, são atualmente responsáveis por mais de 20% de todo o consumo de eletricidade.

A agência sublinhou ainda que, até 2026, os centros de dados de todo o mundo poderão consumir cerca de 1000 terawatts-hora por ano, o que equivale aproximadamente ao consumo total de eletricidade do Japão. Neste momento, a gigante tecnológica Google é a única empresa que utiliza a tecnologia fotónica à escala, o que já reduziu o consumo de energia dos centros de dados em 40%.

Este facto permitiu à empresa poupar dinheiro, sobretudo no que diz respeito aos custos de instalação da infraestrutura de rede. No entanto, a Google utiliza atualmente chips de silício, mas os chips de vidro podem ser cerca de 20 vezes mais eficientes em comparação com a principal tecnologia de fabrico de chips atualmente existente no mercado. Isto porque o vidro tem uma propriedade especial: é o mesmo material de que é feita a fibra ótica. Ao utilizar o mesmo material, minimiza-se o tipo de perda de sinal que ocorre quando se junta fibra ótica a um chip.

Os chips de vidro da Ephos funcionam à temperatura ambiente, o que reduz significativamente a energia necessária para o arrefecimento dos centros de dados. A eliminação de requisitos rigorosos sobre a refrigeração também se reflete numa limitação geográfica menor para as empresas. "Cerca de 10% do custo energético de um centro de dados é gasto em redes e cerca de 40% em refrigeração. Ou seja, podemos reduzir cerca de 50% do custo com a utilização de tecnologias fotónicas, como a que é fabricada pela Ephos", sublinhou Rocchetto, CEO da Ephos.

O mercado mundial da fotónica valia aproximadamente 983,5 mil milhões de dólares (906,6 mil milhões de euros) em 2024 e espera-se que este valor aumente para 1.642,6 mil milhões de dólares (1.514,1 mil milhões de euros) até 2032, de acordo com a Fortune Business Insights. Os chips fotónicos usam a luz, ao invés da eletricidade, para transportar e processar dados, e são utilizados em vários setores. Estes incluem os serviços de saúde, a comunicação de dados e a engenharia, assim como a condução autónoma e os dispositivos ‘lab-on-a-chip’.

Mais uma vez, a ciência e a inovação ajudam a resolver os problemas da Humanidade.