O que são os nanômetros em processadores? Entenda a litografia na fabricação de chips

Entenda o que é a litografia do processador, medida em nanômetros (nm). Saiba como ela influencia o desempenho, a geração de calor e o consumo de energia dos chips.

Emerson Alecrim Paulo Higa
Por e
• Atualizado há 11 meses

Litografia é o nome dado ao processo de fabricação de chips de silício. Quanto menor é a litografia, medida em nanômetros (nm), maior é a quantidade de transistores que podem ser colocados em um mesmo espaço físico.

O processo de fabricação de uma CPU, GPU ou outro tipo de processador tem forte relação com seu desempenho. Entenda, a seguir, qual é o papel dos nanômetros nos processadores e a influência da Lei de Moore.

O que significa nanômetro (nm)?

Nanômetro é uma unidade de medida do sistema métrico que corresponde a 1 bilionésimo de 1 metro, ou seja, 1 metro dividido por 1 bilhão. Seu símbolo no Sistema Internacional de Unidades é nm.

Trata-se de uma medida com escala microscópica, bastante usada pela indústria de semicondutores. Segundo a National Nanotechnology Initiative, um fio de cabelo pode ter entre entre 80 mil e 100 mil nanômetros. Já uma fita de DNA humano pode ter apenas 2,5 nm.

Isso significa que, quando falamos de uma litografia de 14, 10 ou 7 nm, nos referimos a uma medida na escala dos átomos.

O que são os nanômetros nos processadores?

Os fabricantes usam a medida em nanômetros para indicar a distância entre os transistores que compõem o chip. Quanto menor a distância entre os transistores, mais unidades podem ocupar o mesmo espaço. Se há mais transistores, o desempenho do chip tende a aumentar.

Nos chips, um transistor consiste em um minúsculo componente semicondutor que permite ou não a passagem de corrente, além de amplificar sinais elétricos. Os processadores modernos contam com bilhões deles.

Além de permitir que mais transistores ocupem a mesma área de um chip, a redução do espaço entre eles pode resultar em menor consumo de energia. Isso porque os elétrons terão que percorrer distâncias menores durante o processamento (quando a CPU está trabalhando).

Por fim, essa abordagem facilita a implementação de transistores de baixa potência, que demandam menos energia para alternar de estado (ligado ou desligado).

Transistores em chip conceitual de 2 nm da IBM (imagem: divulgação/IBM)
Transistores em chip conceitual de 2 nm da IBM (imagem: divulgação/IBM)

Quanto menos nanômetros, melhor?

Normalmente, sim. Se a distância entre os transistores é menor, mais unidades podem ser colocadas no mesmo espaço. Isso favorece a construção de chips com mais núcleos. O aumento de desempenho pode se dar também pelo fato de a proximidade de transistores tornar a “comunicação” entre eles mais fácil.

Outro efeito possível com a diminuição dos nanômetros é a fabricação de processadores menores, que são úteis em celulares e outros eletrônicos com limitação de espaço físico.

Além disso, a redução do consumo de energia contribui diretamente para o processador gerar menos calor, ou seja, com menor TDP (Thermal Design Power). Com isso, o chip pode funcionar com um sistema de refrigeração mais simples e que também requer menos energia.

O tamanho dos transistores é diferente de uma fabricante para outra?

Sim, pois a tecnologia de fabricação de uma empresa não é necessariamente equivalente ao da outra. O processo de 10 nm da Intel, por exemplo, oferece uma densidade de transistores comparável à litografia de 7 nanômetros da TSMC.

Por que os nanômetros demoram para diminuir?

A redução no número de nanômetros exige mudanças nas fábricas, que são muito caras de se manter. Além disso, um novo processo de fabricação pode demorar até amadurecer. Por isso, uma mesma litografia costuma ser usada em chips por vários anos.

Os processadores são fabricados a partir de uma espécie de “pastilha” de silício, que é um material semicondutor. Os transistores são montados sobre essa pastilha, mas atualmente eles são tão pequenos que esse processo exige o uso de tecnologias especiais, como a EUV (Extreme Ultraviolet Lithography).

Além disso, os transistores podem ficar tão próximos entre si que, não havendo uma otimização da tecnologia, um pode interferir no funcionamento do outro.

O que é a litografia EUV (Extreme Ultraviolet Lithography)?

EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) é uma tecnologia de litografia que usa laser e elementos como o gás xenônio para gerar um luz com um comprimento de onda muito curto. É a mais usada atualmente e permite a produção de processadores de 10, 7, 5 ou menos nanômetros.

No EUV, um laser funde pequenas quantidades de materiais como o estanho para que o vapor resultante gere a luz ultravioleta necessária para o processo. Quanto menor o padrão de nanômetros do processo, mais difícil é executar esse procedimento.

A holandesa ASML é uma das poucas empresas que produz maquinário para fabricação em EUV. Um dos sistemas mais avançados da companhia é o Twinscan EXE:5000, cujo preço pode passar de US$ 400 milhões.

Máquina da ASML com tecnologia de EUV (imagem: divulgação/ASML)
Máquina da ASML com tecnologia de EUV (imagem: divulgação/ASML)

Quem fabrica os processadores?

Intel e Samsung são duas marcas de processadores que fabricam seus próprios chips. No entanto, a maioria das empresas conhecidas é do tipo fabless, ou seja, elas desenvolvem o projeto do chip e terceirizam a fabricação para outras companhias, as foundries.

AMD, Qualcomm, Nvidia, MediaTek e Apple são empresas do tipo fabless. Em geral, a fabricação de seus chips é realizada por foundries como TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), Samsung Semiconductor, UMC e GlobalFoundries.

Wafer da TSMC — cada "bloco" se transforma em um chip (imagem: divulgação/TSMC)
Wafer da TSMC — cada “bloco” se transforma em um chip (imagem: divulgação/TSMC)

Por que processadores com muitos nanômetros ainda são fabricados?

Uma litografia mais moderna não “mata” tecnologias anteriores, pois chips com tecnologias mais antigas ainda encontram bastante espaço no mercado.

A demanda do mercado pela tecnologia mais recente envolve computadores de alto desempenho ou modelos de última geração. No entanto, chips antigos são mais baratos e podem atender a PCs que não precisam de muito desempenho, como thin clients (PCs compactos usados normalmente por empresas).

Além disso, processadores com litografias antigas, de 28, 40, 65 nm ou mais, dão conta de muitas atividades. Eles são usados para equipar painéis de carros, máquinas industriais, sistemas de aviões, TVs, impressoras, equipamentos médicos, entre outros.

Como esses chips têm um processo de fabricação menos complexo em relação aos padrões mais recentes, eles tendem a custar menos e dão conta das atividades para os quais são direcionados.

Entre as empresas que desenvolvem chips dedicados a tarefas específicas estão Texas Instruments, Broadcom e HiSilicon.

Fábrica de chips da GlobalFoundries (imagem: divulgação/GlobalFoundries)
Fábrica de chips da GlobalFoundries (imagem: divulgação/GlobalFoundries)

Qual a relação dos nanômetros com a Lei de Moore?

A Lei de Moore faz referência a um artigo publicado na Electronics Magazine em 1965 por Gordon E. Moore, cofundador da Intel. No texto, ele afirmava que o número de transistores colocados nos chips dobraria anualmente. Depois, a previsão foi revisada e passou a estabelecer que a quantidade dobraria a cada dois anos.

A teoria é bastante difundida na indústria de semicondutores e é válida até os dias atuais. A primeira versão do processador Pentium 4, lançado pela Intel em 2000, tinha litografia de 180 nm e 42 milhões de transistores. Já o Intel Core i9-13900K, de 2022, tem 10 nm e 14 bilhões de transistores.

Ou seja, enquanto a progressiva redução de nanômetros levar a um aumento considerável na densidade de transistores, a Lei de Moore terá validade.

No entanto, a Lei de Moore pode estar perto do fim. Como cada processo de miniaturização de um chip é mais complexo que o anterior, a tendência é a de que, em algum momento, não seja mais possível ou viável diminuir a distância entre os transistores.

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