Um chip de computador típico inclui milhões de transistores conectados a uma extensa rede de fios de cobre. Embora os fios com chip sejam inimaginavelmente curtos e finos em comparação com os fios domésticos, ambos têm uma coisa em comum:em cada caso, o cobre é envolvido por uma capa protetora.

Durante anos, um material chamado nitreto de tântalo formou uma camada protetora em fios de chip.

Agora, experimentos conduzidos por Stanford demonstram que um material de revestimento diferente, grafeno, pode ajudar os elétrons a passarem por minúsculos fios de cobre em chips mais rapidamente.

O grafeno é uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura forte, porém fina. Engenheiro elétrico de Stanford H.-S. Philip Wong diz que esta modesta correção, usando grafeno para embrulhar fios, pode permitir que os transistores troquem dados mais rápido do que é possível atualmente. E as vantagens de usar o grafeno se tornariam maiores no futuro, à medida que os transistores continuassem encolhendo.

"Os pesquisadores fizeram avanços tremendos em todos os outros componentes dos chips, mas recentemente, não houve muito progresso na melhoria do desempenho dos fios, " ele disse.

Wong liderou uma equipe de seis pesquisadores, incluindo dois da Universidade de Wisconsin-Madison, que apresentarão suas descobertas nos Simpósios de Tecnologia e Circuitos VLSI em Kyoto, um local líder para a indústria eletrônica.

Ling Li, um estudante de graduação em engenharia elétrica em Stanford e primeiro autor do artigo de pesquisa, explicou por que mudar o invólucro externo dos fios de conexão pode ter um impacto tão grande no desempenho do chip.

Ele começa com a compreensão do duplo papel dessa camada protetora:ela isola o cobre do silício no chip e também serve para conduzir eletricidade.

Em chips de silício, os transistores agem como minúsculas portas para ligar ou desligar os elétrons. Essa função de comutação é como os transistores processam os dados.

Os fios de cobre entre os transistores transportam esses dados uma vez que são processados.

O material isolante - atualmente nitreto de tântalo - impede que o cobre migre para os transistores de silício e os torne não funcionais.

Por que mudar para o grafeno?

Duas razões, começando com o desejo incessante de continuar a tornar os componentes eletrônicos menores.

Quando a equipe de Stanford usou a camada mais fina possível de nitreto de tântalo necessária para realizar esta função de isolamento, eles descobriram que o padrão da indústria era oito vezes mais espesso do que a camada de grafeno que fazia o mesmo trabalho.

O grafeno tinha uma segunda vantagem como revestimento protetor e aqui é importante diferenciar como essa camada externa funciona em fios de chip em relação a fios domésticos.

Nos fios internos, a camada externa isola o cobre para evitar eletrocussão ou incêndios.

Em um chip, a camada ao redor dos fios é uma barreira para evitar que os átomos de cobre se infiltrem no silício. Se isso acontecesse, os transistores deixariam de funcionar. Portanto, a camada protetora isola o cobre do silício

O experimento de Stanford mostrou que o grafeno poderia desempenhar esse papel de isolamento, ao mesmo tempo que servia como condutor auxiliar de elétrons. Sua estrutura de rede permite que os elétrons saltem do átomo de carbono para o átomo de carbono diretamente no fio, enquanto efetivamente contém os átomos de cobre dentro do fio de cobre.

Esses benefícios - a espessura da camada de grafeno e seu papel duplo como isolador e condutor auxiliar - permitem que esta nova tecnologia de fio transporte mais dados entre os transistores, acelerando o desempenho geral do chip no processo.

Nos chips de hoje, os benefícios são modestos; um isolador de grafeno aumentaria as velocidades do fio de quatro por cento para 17 por cento, dependendo do comprimento do fio.

Mas, à medida que os transistores e fios continuam a diminuir de tamanho, os benefícios do isolador de grafeno ultrafino, porém condutor, tornam-se maiores. Os engenheiros de Stanford estimam que sua tecnologia pode aumentar a velocidade do fio em 30 por cento nas próximas duas gerações

Os pesquisadores de Stanford acham que a promessa de uma computação mais rápida induzirá outros pesquisadores a se interessarem por fios, e ajudar a superar alguns dos obstáculos necessários para levar essa prova de princípio à prática comum.

Isso incluiria técnicas para cultivar grafeno, especialmente crescendo diretamente nos fios enquanto os chips são produzidos em massa. Além de seu colaborador da Universidade de Wisconsin, Professor Michael Arnold, Wong citou o professor da Purdue University, Zhihong Chen. Wong observou que a ideia de usar o grafeno como isolante foi inspirada pelo professor Paul McEuen da Cornell University e sua pesquisa pioneira sobre as propriedades básicas deste material maravilhoso. Alexander Balandin, da University of California-Riverside, também fez contribuições para o uso de grafeno em chips.

"O grafeno foi prometido para beneficiar a indústria eletrônica por um longo tempo, e usá-lo como uma barreira de cobre é talvez a primeira realização desta promessa, "Wong disse.