Miniaturização: o que são os nanômetros (nm) dos processadores

Introdução

Ao comprar um notebook, um celular ou escolher um processador (CPU) para o seu PC, você pode se deparar com termos como "10 nanômetros" e "5 nm". Eles expressam o nível de litografia do chip, no sentido de indicar a distância entre os transistores que o compõem.

Essa medida é informada porque determina o patamar de sofisticação da CPU. Em linhas gerais, quanto menor o número de nanômetros do chip, melhor. Você vai entender os motivos nos próximos parágrafos.

Antes, é recomendável conhecer conceitos como núcleos, frequência e cache, se você não estiver familiaridade com eles.

Links diretos:

- O que são nanômetros?
- O que são transistores?
- A miniaturização nas CPUs
- Vantagens da miniaturização (redução de nanômetros)
- Cada fabricante tem uma miniaturização diferente
- O limite da miniaturização (e a Lei de Moore)

O que são nanômetros?

Um nanômetro (nm) é uma medida que corresponde a um milímetro dividido por um milhão ou a um bilionésimo de metro. Isso significa que os nanômetros expressam dimensões em escala atômica (ou seja, no nível dos átomos).

Nos processadores, os nanômetros são usados para indicar o tamanho dos transistores e, sobretudo, a distância entre eles. Faz sentido. Esses componentes têm tamanho microscópico.

Assim, se um chip é descrito como tendo 10 nm, isso significa que a distância entre os seus transistores tem essa medida.

Parte inferior de uma CPU

O que são transistores?

Nos processadores, transistores são componentes semicondutores que permitem ou não a passagem de corrente elétrica, ou amplificam sinais elétricos.

Chips antigos ou de estrutura simples têm apenas algumas centenas de transistores. É o caso do Intel 4004. Lançado em 1971, esse chip contava com 2.300 transistores.

Já CPUs modernas podem ter bilhões de transistores. Tome como exemplo o Intel Core i9-13900K, processador de alto desempenho que conta com mais de 14 bilhões de transistores.

Cada transistor funciona como uma chave de liga e desliga. Basicamente, a combinação de estados das chaves a cada momento representa uma operação em execução pelo processador. É por isso que, quanto maior o número de transistores, mais desempenho o chip tende a ter.

Mas como colocar tantos transistores em um dispositivo tão pequeno? Alguns chips, como os que equipam celulares, cabem na ponta do dedo. O segredo está na miniaturização.

A miniaturização nas CPUs

A capacidade de processamento das CPUs aumentou exponencialmente no decorrer das últimas décadas. Porém, essa evolução não resultou em aumento proporcional do tamanho do chip. Se um processador com bilhões de transistores fosse feito com uma tecnologia de fabricação da década de 1970, ele ocuparia uma sala inteira.

Os processadores ficam progressivamente mais potentes, mas permanecem pequenos por causa da nanotecnologia. É ela que permite que os transistores tenham miniaturização na escala dos nanômetros. Além disso, a nanotecnologia permite que a distância entre os transistores seja cada vez menor.

A lógica é a de que, quanto menores os transistores e as distâncias entre eles, mais unidades cabem no chip, sem que ele tenha que aumentar de tamanho. O efeito pode até ser contrário: uma nova CPU contar com capacidade de processamento similar à de um chip de geração anterior, mas ser fisicamente menor.

É daí que vem expressões como "10 nm" ou “7 nm”. Elas informam que o chip foi produzido com um processo de fabricação (ou nó de processo) que mantém uma largura de pelos 10 nanômetros nas vias entre os transistores por onde a corrente elétrica flui. Em outras palavras, os nanômetros indicam a distância mínima entre os transistores.

Snapdragon 8 Gen 2, um chip com nó de processo de 4 nm — imagem: Qualcomm

Teoricamente, se um processador tem litografia de 10 nanômetros, por exemplo, ele pode ser formado por mais transistores que um chip de 14 nanômetros com as mesmas dimensões físicas. Essa dinâmica se repete com escalas menores, como 7 nm e 5 nm.

Mas a quantidade maior de transistores não é a única vantagem da miniaturização.

Vantagens da miniaturização (redução de nanômetros)

A miniaturização do processo de fabricação dos chips é progressiva. Tomemos como exemplo as arquiteturas de CPUs Intel lançadas entre 2012 e 2022 que introduziram uma nova litografia:

• 22 nm: Ivy Bridge, 2012
• 14 nm: Broadwell, 2014
• 10 nm: Palm Cove, 2018

Diminuir os nanômetros dos processadores é um trabalho complexo, que requer muitos esforços de pesquisa e desenvolvimento. Contudo, quando alcançada, a miniaturização traz vantagens importantes, como estas:

- Mais desempenho: quanto menor a distância entre os transistores, mais unidades cabem em determinado espaço, o que leva ao aumento da capacidade de processamento. Além disso, o espaço menor entre os transistores permite que os sinais elétricos circulem entre eles mais rapidamente;

- Menor consumo de energia: o espaço reduzido entre os transistores faz os elétrons percorrerem distâncias menores, o que diminui o consumo energético. Além disso, transistores menores podem alternar entre os estados ligado e desligado demandando menos energia;

- Menor geração de calor: o consumo reduzido de energia faz o chip gerar menos calor. Isso permite o uso de mecanismos de resfriamento mais simples ou, em determinados casos, até a dispensa deles;

- Chips fisicamente menores: a indústria também consegue desenvolver chips menores em relação a gerações anteriores, mas que mantêm patamares satisfatórios de desempenho. Isso é importante para dispositivos compactos, como celulares e smartwatches.

Embora a indústria continue progredindo na miniaturização, um processo de fabricação novo não "aposenta" tecnologias antigas. Frequentemente, as anteriores são mais baratas de se fabricar e podem atender a diversos setores industriais, como o automotivo e o de sistemas embarcados.

Transistores (os pontos elevados na imagem) com espaçamento de 22, 14 e 10 nm — imagem original: Intel

Cada fabricante tem uma miniaturização diferente

Processadores são dispositivos tão complexos que poucas empresas têm tecnologia e recursos para fabricá-los. É por isso que companhias como AMD, Apple, Qualcomm e MediaTek desenvolvem as próprias CPUs, mas terceirizam a produção delas.

Entre as companhias que fabricam chips para terceiros, TSMC, Samsung Foundry, UMC e Globalfoundries são as mais conhecidas. Com sede em Taiwan, a TSMC é a líder desse mercado.

E a Intel? A companhia segue um modelo de negócio que, hoje, é incomum: ela não só desenvolve como fabrica os próprios processadores.

Por causa disso, um processo de fabricação de uma empresa nem sempre é equivalente ao de outra com o mesmo número de nanômetros. Um exemplo disso está na tecnologia de 5 nm da TSMC que, tecnicamente, é tida como equivalente ao nó de 7 nm da Intel.

Por que existe essa diferença? Para produzir CPUs com um nível de miniaturização muito avançado, as duas companhias recorrem à tecnologia Extreme Ultraviolet Lithography (EUV). Nela, o chip é montado com o auxílio de um feixe de laser com comprimento de onda muito curto combinado com gás xenônio e outros elementos.

Tanto a Intel quanto a TSMC usam a tecnologia EUV, mas em escalas diferentes. Essa é uma das razões para os processos de ambas as companhias não serem equivalentes.

É por isso que o número de nanômetros não deve ser o único indicador do nível de sofisticação de um chip. Outros atributos, como quantidade de transistores e demais tecnologias usadas na fabricação, também devem ser considerados para essa avaliação.

O limite da miniaturização (e a Lei de Moore)

Em maio de 2021, a IBM anunciou um feito notável: a criação do que ela afirma ser a primeira tecnologia de 2 nanômetros para chips. Mas note que, à medida que a indústria de semicondutores avança na miniaturização, ela se aproxima do momento em que isso não será mais possível.

Especialistas do setor entendem que, quando esse dia chegar, será o fim do que é conhecido como Lei de Moore.

A Lei de Moore consiste em uma teoria estabelecida em 1965 por Gordon Earle Moore, cofundador da Intel, que previa que a quantidade de transistores dos circuitos integrados dobraria aproximadamente a cada dois anos.

Chip Core de 13 geração com tecnologia de 10 nanômetros — imagem: Intel

De fato, o número de transistores dos chips aumentou exponencialmente no decorrer das últimas décadas, como já ficou claro neste texto. Mas, quando não houver mais espaço a ser diminuído entre os transistores, a Lei de Moore deixará de fazer sentido.

Como o setor se adequará a esse cenário? Ninguém sabe ao certo. Há pesquisas focadas em novos modelos computacionais, a exemplo da computação quântica. Mas é cedo para afirmar que a solução vem daí: computadores quânticos estão sendo desenvolvidos para resolver eficazmente problemas muito complexos, e não necessariamente substituir a Lei de Moore.

Por ora, o que vemos ainda são esforços de miniaturização. Além da IBM, outro exemplo notável vem da própria Intel. A companhia já fala em substituir as medidas em nanômetros por angstroms em chips a serem produzidos a partir de 2024.

Ainda não está claro qual será o nível de miniaturização desses chips, mas espere por algo bastante reduzido, afinal, um angstrom corresponde a 0,1 nanômetro.

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Veja também:

• O que é processador: núcleos, threads, clock, cache e TDP
• Placa-mãe: o que é e principais características
• O que é SSD? Tudo sobre velocidade, tipos e tecnologias

Publicado em 24_05_2023. Atualizado em 27_08_2023.