O transistor é a tecnologia básica por trás de tudo na computação moderna. Em circuitos digitais, um transistor atua como uma pequena chave controlada por tensão: pode estar ligado, permitindo o fluxo de corrente, ou desligado, bloqueando-o. Esses dois estados elétricos são a base para representar dados binários – 1s e 0s – e para construir as portas lógicas que fazem os processadores funcionarem. CPUs e GPUs modernas estão repletas de transistores; o chip M4 básico do laptop computer em que estou escrevendo contém cerca de 28 bilhões deles.
Mas será que o tempo do transistor ao sol está chegando ao fim? O humilde interruptor nos serviu extremamente bem, mas impõe um limite à nossa capacidade de processar dados. Se quisermos processar mais dados, precisaremos de mais transistores. E se quisermos processar dados mais rapidamente, precisaremos de transistores que liguem e desliguem e voltem novamente mais rapidamente. E se quisermos ambos, precisaremos amontoar cada vez mais transistores – ao mesmo tempo que os tornamos menores e mais rápidos – em nossos wafers de silício.
Passamos décadas miniaturizando e acelerando nossos transistores, mas eventualmente esse processo começa a esbarrar nos limites fundamentais impostos pelas leis da física. Uma delas é a geração de calor: a corrente de comutação gera calor, e quanto mais rápido seus transistores comutam, mais calor você acaba gerando. (Há uma boa postagem do Explique como se eu tivesse cinco anos sobre esse fenômeno aqui.)
Descobrir como contornar esses limites de maneira eficiente e prática é o Santo Graal da pesquisa em computação, e um novo artigo publicado na Science este mês descreve uma ideia nova e promissora. O artigo descreve como uma equipe da Universidade de Tóquio adotou uma abordagem radical para o problema: eles dispensaram totalmente os transistores. Em vez disso, seu “elemento de comutação quântica não volátil” usa o spin de um elétron particular person para representar o estado de um determinado bit.
(Um breve aparte: o spin é uma propriedade da mecânica quântica análoga à maneira como uma bola macroscópica pode girar em torno de um determinado eixo – ela pode girar em uma de duas direções. Os elétrons na verdade não giram, porque se girassem, sua superfície estaria viajando mais rápido do que a velocidade da luz. Tentar entender o spin quântico é difícil, mas para os propósitos desta postagem, a questão é que um elétron pode ter um de dois estados de spin, e esses podem ser usados para codificar um 1 ou um 0.)
Acontece que inverter os estados de spin dos elétrons é mais rápido e mais eficiente em termos de energia do que ligar e desligar os transistores. Conforme o papelo processamento de um único bit de informação com o elemento de comutação quântica leva 40 picossegundos. (Um picossegundo é um trilionésimo de segundo, ou 1 x 10-12 segundos.) Este é um período de tempo incrivelmente curto; para efeito de comparação, mesmo os computadores mais rápidos de hoje precisam de algo na ordem de um nanossegundo, que é 1 x 10-9 segundos, para fazer a mesma coisa – então estamos falando de várias ordens de magnitude que valem a pena melhorar aqui.
Existem alguns outros aspectos interessantes desta tecnologia. Os elétrons permanecem em seus estados de spin atribuídos até que algo os altere novamente, o que significa que as informações armazenadas dessa forma não são voláteis: os dados permanecem armazenados sem energia. Também parece ser extremamente durável: o artigo descreve como o elemento de comutação permaneceu estável após 100 mil milhões de transições, o que é novamente várias ordens de grandeza melhor do que as tecnologias actuais, onde o calor causa degradação progressiva e eventual falha.
É claro que se aplicam as isenções usuais de que isso é essencialmente uma prova de conceito, e não há garantia de que alguém será capaz de fabricar chips usando essa tecnologia de maneira econômica. Mas aponta para uma forma de podermos ultrapassar os limites da nossa atual tecnologia informática.
