Se você arrancar um fio de cabelo da sua cabeça e dividi-lo em dois, a área da seção transversal você verá – ou talvez não verá porque é tão minúscula – essa área pode abrigar milhares de transistores eletrônicos que podem se conectar de forma inteligente para construir um circuito complexo. Essa escala de fabricação é tão sensível que mesmo uma partícula de poeira ou uma entidade microscópica como uma bactéria pode corromper todo o circuito. Verdadeiramente incríveis são os avanços na ciência e na arte da integração de circuitos, mas eles também são uma atividade diária para centenas de empresas de semicondutores em todo o mundo, onde centenas de milhares de engenheiros trabalham e fazem brainstorming.
Fig. 1: Imagem do computador anterior
O que hoje é um assunto cotidiano era apenas uma possibilidade teórica há meio século. Lembre-se, houve um tempo em que os computadores eram do tamanho de uma sala grande. Quanto mais complexo era um computador, maior era o espaço necessário para abrigar seu circuito de válvula a vácuo e menor se tornava a confiabilidade do circuito. Esses eram os problemas diários insolúveis da indústria eletrônica. A maneira como saímos do labirinto complexo dos tubos de vácuo grossos e pesados e chegamos à integração atual em nanoescala é a jornada que depende de uma invenção única e definidora: a invenção dos Circuitos Integrados; e guiado por um único e antigo ditado: a necessidade é a mãe da invenção.
O que necessita desta invenção é o infame problema da “tirania dos números”.
A Tirania dos Números
Já no início da década de 1950, o laboratório Bell desenvolveu transistores pequenos e confiáveis. Pensou-se que se o tamanho dos componentes eletrônicos fosse reduzido, todos os problemas relacionados ao volume seriam resolvidos e seria fácil criar circuitos complexos. Houve, no entanto, problemas imprevistos que acompanharam a miniaturização.
Um circuito não trata apenas de seus componentes, mas também de suas conexões. E para qualquer circuito funcionar as conexões devem ser estáveis – é através delas que os elétrons (as correntes) fluem de um componente para outro. As conexões são o canal de interação. E um canal propenso a erros tornaria todo o circuito extinto.
Naquela época, os circuitos eram feitos à mão – trabalhadores soldavam os diferentes componentes a tubos de vácuo com fios metálicos. Quando o tamanho dos componentes diminuiu, ficou evidente que a montagem manual dos minúsculos componentes semicondutores levaria a conexões defeituosas. Os erros eram inevitáveis e não havia como manter uma verificação de qualidade.
Em 1958, a TI tinha um novo funcionário que ainda não havia gozado as férias. Jack Kilby deveria estar trabalhando. Então, para aproveitar ao máximo seu tempo, ele mergulhou de cabeça no problema central do dia e encontrou uma solução brilhante.
O segundo problema era o tamanho. Um circuito complexo dependia da velocidade. Se os fios metálicos fossem muito longos, os sinais elétricos não se moveriam com rapidez suficiente. Isso tornaria os circuitos ineficientes.
Esses dois problemas, juntos, eram os problemas dos números; infamemente chamada de A Tirania dos Números. Em poucas palavras, o problema afirmava que qualquer circuito avançado teria tantas peças e conexões que não seria prático fazê-lo.
A profecia de uma solução: sem fios de conexão
O engenheiro de rádio britânico Geoffrey Dummer abordou esses problemas com otimismo em 1942. Ele disse: “Com o advento do transistor e o trabalho em semicondutores em geral, parece agora ser possível imaginar equipamentos eletrônicos em um bloco sólido sem fios de conexão. . O bloco pode consistir em camadas de materiais isolantes, condutores, retificadores e amplificadores, sendo as funções elétricas conectadas cortando áreas das várias camadas.”
Ele era “o profeta dos circuitos integrados” – aquele que podia prever a sua chegada num futuro próximo. Ele havia profetizado uma solução teórica para o problema óbvio: circuitos sem conexão. Mas foi nas mãos de dois engenheiros, trabalhando separadamente em laboratórios diferentes ao mesmo tempo e no mesmo país, que a profecia começou a tomar forma física.
Obra-prima de Jack Kilby – O IC Monolítico
No verão de 1958, a Texas Instruments fechou para férias de duas semanas para toda a empresa. Isso era algo que eles faziam todos os anos. Em 1958, porém, eles tinham um novo funcionário que ainda não havia merecido as férias. Jack Kilby deveria estar trabalhando. Então, para aproveitar ao máximo seu tempo, ele mergulhou de cabeça no problema central da época e começou a procurar um substituto para os métodos práticos de miniaturização de circuitos. Devido à sua experiência anterior na Centralab em Milwaukee, Kilby estava familiarizado com o problema da “tirania dos números”. Ele percebeu que a única mercadoria que uma empresa poderia fabricar de forma barata era um semicondutor. Portanto, concluiu ele, todos os componentes do circuito deveriam ser feitos do mesmo material com que são feitos os semicondutores. Ninguém havia pensado nisso antes.
Fig. 2: Imagem do primeiro circuito integrado (IC) do mundo
Kilby elaborou alguns esboços para este processo. Quando as férias terminaram, ele mostrou os esboços ao seu empresário Willis Adcock. Adcock os considerou brilhantes, mas não tinha certeza sobre eles. Ele pediu a Kilby para ir em frente de qualquer maneira e construir um circuito funcional de silício. Esta provou ser uma decisão de gestão significativa, pois em 28 de agosto de 1958, Kilby mostrou um circuito funcionando com sucesso para Adcock e imediatamente recebeu uma bandeira verde para seu projeto. Em seu circuito seguinte, ele integrou todos os componentes eletrônicos e elétricos em uma única barra de germânio.
Esse dispositivo foi testado e funcionou exatamente como Kilby havia previsto. Assim, ele resolveu um dos problemas mais desconcertantes associados à miniaturização. Assim que sua invenção foi aceita pelas pessoas da indústria, tudo estava pronto para revolucionar a tecnologia eletrônica.
“Esse pensamento me levou à conclusão de que os semicondutores eram tudo o que realmente era necessário – que resistores e capacitores (dispositivos passivos), em particular, poderiam ser feitos do mesmo material que os dispositivos ativos (transistores). Também percebi que, como todos os componentes poderiam ser feitos de um único material, eles também poderiam ser feitos in situ e interligados para formar um circuito completo”, lembrou Kilby em um artigo intitulado “Invenção do CI” em 1976.
Ele acrescentou: “O que não percebíamos na época era que o circuito integrado reduziria o custo das funções eletrônicas por um fator de um milhão para um. Nada jamais havia feito isso antes.”
Os três problemas da microeletrônica
A propósito, as conexões não eram a única área de preocupação. Havia, na verdade, três questões distintas e fundamentais para a miniaturização de componentes eletrônicos. Em 1958, Torrek Wallmark os descreveu como:
1. Problema de Integração: Em 1958, os vários componentes eletrônicos não podiam ser integrados em um cristal semicondutor porque a liga não era adequada para IC. Como você os integra?
2. Problema do Isolamento: No nível atômico, como garantir que os diferentes componentes não se sobreponham? Como você os mantém isolados eletricamente em um cristal semicondutor?
3. Problema de Conexão: Como conectar os componentes microeletrônicos de maneira confiável? O único método disponível naquela época era extremamente caro e demorado, usando fios de ouro.
“Se a indústria automobilística avançasse tão rapidamente quanto a indústria de semicondutores, um Rolls Royce percorreria meio milhão de milhas por galão e seria mais barato jogá-lo fora do que estacioná-lo.”
As soluções foram logo encontradas. Três empresas os inventaram separadamente e detinham as principais patentes para cada um dos três problemas. Embora a Sprague Electric Company tenha decidido não desenvolver CIs, a Texas Instruments, onde Kilby trabalhava, parecia se restringir. A Fairchild Semiconductor, entretanto, combinou as diferentes técnicas necessárias para a fabricação comercial de CIs monolíticos e seguiu em frente. Na Fairchild residia outra mente genial, sem cujos esforços pioneiros os ICs teriam permanecido um conceito teórico, uma possibilidade, por muito tempo. O gênio foi o cofundador da Fairchild, que viria a cofundar a gigante da eletrônica Intel.
Esforços pioneiros de Robert Noyce
Robert Noyce, individualmente, e apenas seis meses depois de Kilby, teve a ideia do circuito integrado em Fairchild. Noyce havia resolvido muitos problemas práticos que existiam no circuito de Kilby, especialmente o problema de interconexão dos componentes. Ele adicionou metal como camada final e depois removeu parte dele para que os fios fossem formados. Ao se livrar das conexões de “fios voadores”, Noyce introduziu um método prático de fabricação em massa dos circuitos sólidos de Jack Kilby.
Em julho de 1959, Noyce registrou sua patente de “estrutura de dispositivo e condutor semicondutor” e, em seguida, um grupo de engenheiros especialistas da Fairchild fez os primeiros CIs monolíticos funcionais em maio de 1960.
Assim começaram as melhorias que tornaram o IC apto para a produção comercial.
Sucesso inicial do Micro Chip
Como em todas as tecnologias de ponta, o circuito integrado encontrou pela primeira vez um comprador nas forças armadas. Já em 1961, o primeiro computador usando chips de silício foi fabricado para a Força Aérea e aplicado no Míssil Minuteman em 1962. Como havia a necessidade de um produto que pudesse fazer com que todos vissem a importância da tecnologia IC (e ajudasse a torná-la popular). ), Kilby projetou uma calculadora que era tão poderosa quanto a enorme calculadora eletromecânica de mesa da época, mas pequena o suficiente para ser manuseada na palma da mão. Esta redução no tamanho levou a um enorme sucesso da sua calculadora – uma das primeiras aplicações comerciais da tecnologia IC – e abriu caminhos para a tecnologia de integração no espaço de produção.
Patentes para o Circuito Integrado
Tanto Kilby quanto Noyce são considerados inventores do CI. Se um deles apresentou uma nova ideia revolucionária para a integração, o outro certificou-se de que os problemas práticos a eles associados não impedissem que a ideia alcançasse o seu potencial. Mas as coisas não eram exatamente perfeitas nas duas empresas para as quais esses engenheiros geniais trabalhavam. Fairchild e TI registram patentes em 1959. Jack Kilby e Texas Instruments receberam a patente dos EUA nº 3.138.743 para circuitos eletrônicos miniaturizados e Robert Noyce e a Fairchild Semiconductor Corporation receberam a patente dos EUA nº 2.981.877 para um circuito integrado baseado em silício. Isto foi seguido por litígios sobre patentes durante uma década.
Antes que as coisas piorassem, as duas partes chegaram a uma solução comercial. E os dois inventores receberam o que lhes era devido. Kilby e Noyce foram premiados com a Medalha Nacional de Ciência em 1979. Noyce disse muito humildemente: “Não tenho dúvidas de que se essa invenção não tivesse surgido em Fairchild, ela teria surgido em outro lugar num futuro muito próximo. Era uma ideia cuja hora havia chegado e a tecnologia se desenvolveu a ponto de ser viável.”
Fig. 3: Imagem do flip-flop Fairchild Semiconductor Tipo F
A Evolução do Circuito Integrado
Percorremos um longo caminho desde que Jack Kilby desenvolveu o primeiro protótipo de IC. Os transistores nos chips estão agora em torno de 90 nm: para dar outra medida da conquista, em um único glóbulo vermelho podem-se inserir centenas desses transistores. Gordon Moore, um dos pioneiros dos circuitos integrados e fundador da Intel, disse certa vez: “Se a indústria automobilística avançasse tão rapidamente quanto a indústria de semicondutores, um Rolls Royce percorreria meio milhão de milhas por galão e seria mais barato jogá-lo fora. longe do que estacioná-lo. Este rápido crescimento nas técnicas de miniaturização foi possível graças à visão do primeiro protótipo de Kilby e às melhorias práticas perspicazes de Noyce.
Reconhecendo o mesmo, o comité Nobel atribuiu a Jack Kilby o Prémio Nobel da Física no ano 2000 – a maior honraria que qualquer ser humano pode receber. Robert Noyce já havia falecido e não pôde dividir o prêmio. Suas contribuições, entretanto, nunca foram contestadas. O crédito pela invenção do IC é dado aos dois engenheiros em conjunto.
Graças ao desenvolvimento exponencial da tecnologia de semicondutores, estamos avançando rapidamente como civilização. A cada seis meses, os nossos computadores tornam-se mais potentes e mais baratos, e centenas de inovações acontecem todos os dias no espaço informático. A invenção do CI, sem sombra de dúvida, mudou o curso da história humana, pois o CI está no centro de todos os produtos eletrônicos modernos do planeta.
