O que significam os nanômetros em processadores?

A nova geração de um de processador pode trazer uma litografia diferente da anterior. O termo se refere ao processo de fabricação do chip e é indicado em nanômetros (nm). Esse parâmetro tem relação com o desempenho, mas é pouco compreendido. É o seu caso? Tudo bem. A seguir, você descobrirá o que significam os nanômetros em processadores.

O que é nanômetro?

Nanômetro é uma unidade de medida do sistema métrico que é bastante usada pela indústria de semicondutores. A sua sigla é “nm” (não confundir com “mm”, de milímetros). 1 nm corresponde a bilionésimo de 1 metro, ou seja, a 1 metro dividido por 1 bilhão.

Trata-se de uma medida com escala microscópica, portanto. Para você ter uma ideia do que isso representa, a National Nanotechnology Initiative explica que um fio de cabelo pode ter entre entre 80 mil e 100 mil nanômetros. Outro exemplo: 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, por exemplo, nos referimos a uma medida na escala dos átomos.

Qual o papel dos nanômetros em processadores?

Os fabricantes usam a medida em nanômetros para indicar a distância entre os transistores que compõem um chip, basicamente. 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). Para completar, essa abordagem facilita a implementação de transistores de baixa potência, que demandam menos energia para alternar de estado (ligado ou desligado).

Então, quanto menos nanômetros, melhor?

Normalmente, sim. Se a distância entre os transistores é menor, mais unidades podem ser colocadas no mesmo espaço, como já ficou claro. Isso favorece a construção de chips com mais núcleos ou de núcleos mais potentes.

Chips menores, mas ainda potentes, também são outro efeito possível com a diminuição dos nanômetros. Esses modelos são importantes para celulares, por exemplo. Afinal, neles, todo ganho de espaço interno é válido.

Não termina aí. O aumento de desempenho pode se dar também pelo fato de a proximidade de transistores tornar a “comunicação” entre eles mais fácil.

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

Em resumo, as vantagens de uma litografia com menos nanômetros são numerosas. É por isso que a Intel e outras companhias do setor frequentemente destacam a tecnologia de fabricação de seus chips quando há uma mudança nelas.

Tecnologias de fabricação

Se uma redução de nanômetros é tão benéfica, a indústria só precisa escolher a menor escala possível, certo? Não é tão simples assim. A fabricação de um processador moderno segue um fluxo muito complexo. Mudar de uma litografia para outra costuma exigir até que as fábricas sejam reestruturadas.

O chip é produzido a partir de uma espécie de “pastilha” de silício, que é um material semicondutor. Os transistores são montados sobre essa pastilha, mas eles são tão pequenos (e ficam cada vez menores) que esse processo exige o uso de tecnologias especiais.

Um exemplo é a EUV (Extreme Ultraviolet Lithography). Trata-se de uma tecnologia de litografia que usa laser e elementos como o gás xenônio para gerar um luz com um comprimento de onda muito curto.

Esse processo é avançado o suficiente para permitir a fabricação de chips de 10, 7, 5 ou até menos nanômetros.

A EUV é a tecnologia de litografia mais usada atualmente. Mas a sua sofisticação tem um preço. As máquinas mais modernas para esse tipo de litografia são tão complexas que podem custar centenas de milhões de dólares.

Para você ter noção, a ASML é uma das poucas empresas (para não dizer a única) que produz esse tipo de maquinário. Um dos sistemas do tipo mais avançados da companhia é o Twinscan EXE:5000, cujo preço pode passar de US$ 400 milhões.

Muitas empresas projetam processadores, mas poucas fabricam

Você já deve ter percebido que montar uma fábrica de processadores demanda muito dinheiro. É por isso que poucas empresas do setor têm fábricas próprias. Uma delas é a Intel.

Outras, como AMD, Qualcomm, MediaTek e Apple, terceirizam a produção de suas linhas de chips. A fabricação dos processadores dessas companhias fica a cargo de empresas como TSMC (uma das maiores), Samsung, UMC e GlobalFoundries.

Tomemos como exemplo os processadores AMD Ryzen 7000. Anunciados em agosto de 2022, eles são produzidos pela TSMC com um processo de 5 nm.

É importante deixar claro, porém, que a tecnologia de fabricação de uma empresa não é, necessariamente, equivalente ao da outra. As técnicas empregadas podem ser diferentes, assim como o tamanho dos transistores.

Como exemplo, a tecnologia de 10 nm da Intel é, pelo menos até certo ponto, comparável aos chips de 7 nanômetros produzidos pela TSMC.

Também é válido esclarecer que não é fácil pular de um processo de fabricação para outro. A Intel, por exemplo, “reciclou” por vários anos a sua tecnologia de 14 nm até conseguir introduzir, em 2021, o seu processo de 10 nm.

Se olharmos para a já mencionada tecnologia EUV, ela precisa usar laser para fundir 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.

Há outros complicadores. Por exemplo, os transistores podem ficar tão próximos entre si que, não havendo uma otimização da tecnologia, um pode interferir no funcionamento do outro.

Por que processos antigos, com mais nanômetros, são mantidos?

Uma litografia mais moderna (com menos nanômetros) não “mata” tecnologias anteriores (com mais nanômetros). Pelo menos não imediamente.

A demanda do mercado pela tecnologia mais recente envolve computadores de alto desempenho ou modelos de última geração. Mas chips com uma tecnologia mais antiga ainda encontram bastante espaço.

Geralmente, eles 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, eles dão conta de atividades em uma enormidade de aplicações.

Chips com tecnologias de 28, 40, 65 nm ou até mais 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. Mas, de novo, eles dão conta das atividades para os quais são direcionados. Esse aspecto deixa claro que nem sempre a última tecnologia é a melhor.

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

Qual a relação com a Lei de Moore?

Na primeira olhada, pode não parecer, mas a medição em nanômetros tem relação com a chamada Lei de Moore. Essa não é uma lei de verdade, mas uma teoria bastante difundida na indústria de semicondutores.

O nome faz referência a um artigo publicado na Electronics Magazine em 1965 por Gordon E. Moore, cofundador da Intel. No texto, ele afirma que a proporção de transistores colocados nos chips dobraria anualmente por pelo menos dez anos.

Mais tarde, essa “lei” foi revisada para indicar que o número de transistores dobraria a cada dois anos. De todo modo, essa conta não é tão precisa assim. O texto de Moore serve mais para indicar que a quantidade de transistores nos chips aumenta continuamente e em grande escala com o passar dos anos.

Isso vem acontecendo, de fato. Tomemos como exemplo a primeira versão do processador Pentium 4, lançado pela Intel em 2000. Esse é um chip de 180 nm e 42 milhões de transistores.

Agora, pulemos para o Intel Core i9-13900K, anunciado em setembro de 2022. Esse é um processador com tecnologia de 10 nm. Estima-se que ele tenha pelo menos 14 bilhões de transistores.

Você já deve ter entendido a lógica. Se a progressiva redução de nanômetros leva a um aumento considerável na densidade de transistores, esse processo faz a Lei de Moore ter validade.

Mas que fique claro: a Lei de Moore pode não estar longe 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.