Os semicondutores são uma parte crítica de quase todos os dispositivos eletrônicos modernos, e a grande maioria dos semicondutores é feita em Tawain. As crescentes preocupações com a dependência de Taiwain para semicondutores - especialmente devido à relação tênue entre Taiwan e China - levaram o Congresso dos EUA a aprovar o CHIPS and Science Act no final de julho de 2022. O ato fornece mais de US$ 50 bilhões em subsídios para impulsionar os semicondutores dos EUA produção e tem sido amplamente noticiado. Trevor Thornton, engenheiro elétrico que estuda semicondutores, explica o que são esses dispositivos e como são feitos.
1. O que é um semicondutor?

De um modo geral, o termo semicondutor refere-se a um material – como o silício – que pode conduzir eletricidade muito melhor do que um isolante como o vidro, mas não tão bem quanto metais como cobre ou alumínio. Mas quando as pessoas estão falando sobre semicondutores hoje, geralmente estão se referindo a chips semicondutores.

Esses chips são normalmente feitos de fatias finas de silício com componentes complexos dispostos em padrões específicos. Esses padrões controlam o fluxo de corrente usando interruptores elétricos – chamados transistores – da mesma forma que você controla a corrente elétrica em sua casa, apertando um interruptor para acender uma luz.

A diferença entre a sua casa e um chip semicondutor é que os comutadores semicondutores são inteiramente elétricos - sem componentes mecânicos para girar - e os chips contêm dezenas de bilhões de comutadores em uma área não muito maior que o tamanho de uma unha.

2. O que os semicondutores fazem?

Os semicondutores são como os dispositivos eletrônicos processam, armazenam e recebem informações. Por exemplo, chips de memória armazenam dados e software como código binário, chips digitais manipulam os dados com base nas instruções do software e chips sem fio recebem dados de transmissores de rádio de alta frequência e os convertem em sinais elétricos. Esses diferentes chips trabalham juntos sob o controle do software. Diferentes aplicativos de software executam tarefas muito diferentes, mas todos funcionam comutando os transistores que controlam a corrente.

3. Como você constrói um chip semicondutor?

O ponto de partida para a grande maioria dos semicondutores é uma fina fatia de silício chamada wafer. As bolachas de hoje são do tamanho de pratos de jantar e são cortadas de cristais únicos de silício. Os fabricantes adicionam elementos como fósforo e boro em uma camada fina na superfície do silício para aumentar a condutividade do chip. É nesta camada superficial onde são feitos os interruptores do transistor.

Os transistores são construídos adicionando camadas finas de metais condutores, isolantes e mais silício a toda a bolacha, esboçando padrões nessas camadas usando um processo complicado chamado litografia e removendo seletivamente essas camadas usando plasmas controlados por computador de gases altamente reativos para deixar padrões e estruturas específicas. Como os transistores são tão pequenos, é muito mais fácil adicionar materiais em camadas e depois remover cuidadosamente o material indesejado do que colocar linhas microscopicamente finas de metal ou isolantes diretamente no chip. Ao depositar, padronizar e gravar camadas de diferentes materiais dezenas de vezes, os fabricantes de semicondutores podem criar chips com dezenas de bilhões de transistores por polegada quadrada.

4. Como as fichas de hoje são diferentes das fichas anteriores?

Existem muitas diferenças, mas a mais importante é provavelmente o aumento do número de transistores por chip.

Entre as primeiras aplicações comerciais de chips semicondutores estavam as calculadoras de bolso, que se tornaram amplamente disponíveis na década de 1970. Esses primeiros chips continham alguns milhares de transistores. Em 1989, a Intel introduziu os primeiros semicondutores a ultrapassar um milhão de transistores em um único chip. Hoje, os maiores chips contêm mais de 50 bilhões de transistores. Essa tendência é descrita pelo que é conhecido como lei de Moore, que diz que o número de transistores em um chip dobrará aproximadamente a cada 18 meses.

A lei de Moore se manteve por cinco décadas. Mas nos últimos anos, a indústria de semicondutores teve que superar grandes desafios – principalmente, como continuar diminuindo o tamanho dos transistores – para continuar nesse ritmo de avanço.

Uma solução foi mudar de camadas planas e bidimensionais para camadas tridimensionais com sulcos de silício em forma de barbatana projetando-se acima da superfície. Esses chips 3D aumentaram significativamente o número de transistores em um chip e agora estão em uso generalizado, mas também são muito mais difíceis de fabricar.

5. Chips mais complicados exigem fábricas mais sofisticadas?

Simplificando, sim, quanto mais complicado o chip, mais complicada - e mais cara - a fábrica.

Houve um tempo em que quase todas as empresas de semicondutores dos EUA construíam e mantinham suas próprias fábricas. Mas hoje, uma nova fundição pode custar mais de US$ 10 bilhões para ser construída. Somente as maiores empresas podem arcar com esse tipo de investimento. Em vez disso, a maioria das empresas de semicondutores envia seus projetos para fundições independentes para fabricação. A Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. e a GlobalFoundries, com sede em Nova York, são dois exemplos de fundições multinacionais que constroem chips para outras empresas. Eles têm a experiência e economias de escala para investir na tecnologia extremamente cara necessária para produzir semicondutores de próxima geração.

Ironicamente, enquanto o transistor e o chip semicondutor foram inventados nos EUA, nenhuma fundição de semicondutores de última geração está atualmente em solo americano. Os EUA já estiveram aqui antes na década de 1980, quando havia preocupações de que o Japão dominaria o negócio global de memória. Mas com a recém-aprovada lei CHIPS, o Congresso forneceu os incentivos e oportunidades para a fabricação de semicondutores de próxima geração nos EUA.

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Resolvendo a escassez de microchips

Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.