Publicado originalmente por MIT Technology Review
Quando falamos de computação hoje em dia, tendemos a falar sobre software e os engenheiros que o escrevem. Mas não estaríamos em lugar nenhum sem o hardware e as ciências físicas que permitiram sua criação — disciplinas como óptica, ciência dos materiais e engenharia mecânica. É graças aos avanços nessas áreas que podemos fabricar os chips nos quais residem todos os 1s e 0s do mundo digital. Sem eles, a computação moderna teria sido impossível.
A litografia de semicondutores, o processo de fabricação responsável pela produção de chips de computador, tem raízes de 70 anos. Sua história de origem é tão simples quanto o processo atual é complexo: a tecnologia começou em meados da década de 1950, quando um físico chamado Jay Lathrop virou as lentes de seu microscópio de cabeça para baixo.
Lathrop, que morreu no ano passado aos 95 anos, quase não é lembrado hoje. Mas o processo de litografia que ele e seu parceiro de laboratório patentearam em 1957 transformou o mundo. A melhoria constante nos métodos litográficos produziu circuitos cada vez menores e quantidades anteriormente inimagináveis de poder de computação, transformando indústrias inteiras e nossas vidas diárias.
Hoje a litografia é um grande negócio com pequenas margens de erro. A líder mundial, a empresa holandesa ASML, também é a maior empresa de tecnologia da Europa por capitalização de mercado. Suas ferramentas de litografia – que contam com os espelhos mais planos do mundo, um dos lasers comerciais mais poderosos e uma explosão muito mais quente que a superfície do sol – podem modelar formas minúsculas em silício, medindo apenas alguns nanômetros. Essa precisão em escala nanométrica, por sua vez, possibilita a fabricação de chips com dezenas de bilhões de transistores. Você provavelmente confia em chips feitos com essas ferramentas de litografia ultraavançadas; eles podem ser encontrados em seu telefone, seu PC e nos centros de dados que processam e armazenam seus dados.
De todas as máquinas incrivelmente precisas que fabricam chips, as ferramentas de litografia são as mais críticas – e as mais complexas. Eles exigem centenas de milhares de componentes e bilhões de dólares em investimentos. Mas eles não são apenas objeto de rivalidade comercial e admiração científica; eles estão no centro de uma competição geopolítica para controlar o futuro do poder de computação. O futuro da computação será moldado pela evolução da indústria de litografia – e pela luta para produzir ferramentas de litografia ainda mais precisas. A história do desenvolvimento da tecnologia sugere que quaisquer avanços futuros dependerão de máquinas ainda mais complexas e precisas e de cadeias de suprimentos ainda mais extensas para produzir os componentes especializados necessários.
A ideia de que a fabricação em escala nanométrica de hoje tem suas origens nas lentes invertidas do microscópio de Lathrop pode parecer implausível. Mas a indústria de litografia avançou rapidamente. Isso permitiu que os chips seguissem e estabelecessem o ritmo da Lei de Moore, a ideia de que o número de transistores em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada dois anos.
Lathrop inventou o processo na década de 1950, numa época em que os computadores usavam tubos de vácuo ou transistores tão grandes que eram visíveis a olho nu – e, portanto, fáceis de fabricar sem ter que criar uma classe inteiramente nova de ferramentas.
Ele não estava tentando revolucionar a computação; mais tarde, ele lembrou que “não tinha ideia sobre computadores”. Como engenheiro no Diamond Ordnance Fuze Lab do Exército dos EUA em meados da década de 1950, ele foi encarregado de criar uma nova espoleta de proximidade para entrar em um projétil de morteiro com apenas alguns centímetros de diâmetro. Um dos componentes que seu espoleta exigia era um transistor – mas a casca era tão pequena que os transistores existentes eram difíceis de encaixar dentro.
Na época, a fabricação de transistores estava em seus estágios iniciais. Transistores eram usados como amplificadores em rádios, enquanto transistores discretos começavam a ser usados em computadores do tamanho de salas. O laboratório de espoletas já contava com alguns equipamentos para fabricação de transistores, como cultivadores de cristais e fornos de difusão. Mas mesmo em um laboratório de armas avançado, muitos dos materiais e ferramentas necessários para fabricá-los tiveram que ser desenvolvidos do zero.
Esses primeiros transistores eram feitos de um bloco do elemento químico germânio com diferentes materiais em camadas no topo, de modo que se assemelhavam à forma de uma mesa deserta. Esses blocos de material de topo plano foram feitos cobrindo primeiro uma porção do germânio com uma gota de cera. Em seguida, foi aplicado um produto químico, que cortou o germânio que não estava coberto. Quando a cera foi retirada, ficou para trás apenas o germânio que ela cobria, assentado sobre uma placa metálica. Este sistema funcionou bem o suficiente para grandes transistores, mas miniaturizá-los era praticamente impossível. A cera escorria de maneiras imprevisíveis, limitando a precisão com que o germânio poderia ser gravado. Lathrop e seu parceiro de laboratório, Jim Nall, encontraram seu progresso na espoleta de proximidade presa nas imperfeições da cera que transbordava…
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