Conhe�a os dois primeiros computadores 2D sem sil�cio do mundo

Informática

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/06/2025

Ilustração conceitual de um computador baseado em materiais 2D, com o teclado destacando teclas com as abreviações do dissulfeto de molibdênio e do disseleneto de tungstênio, os dois materiais 2D usados pela equipe norte-americana.[Imagem: Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State]

Computador 2D

A busca por uma eletrônica além do silício é antiga, culminando em novidades como transistores de semicondutores 3D sem silício.

As maiores esperanças para salvar a Lei de Moore, contudo, têm sido depositadas nos materiais 2D, ou materiais de van der Waals, com destaque para a molibdenita e o grafeno.

E é aqui que está o avanço mais recente, com a criação dos primeiros processadores funcionais feitos totalmente à base de materiais monoatômicos (2D), sem nenhuma pitada de silício, um grande salto em direção à concretização do sonho de eletrônicos mais finos, mais rápidos e com maior eficiência energética.

"O silício tem impulsionado avanços notáveis na eletrônica há décadas, permitindo a miniaturização contínua de transistores de efeito de campo (FETs)," disse o professor Saptarshi Das, da Universidade da Pensilvânia, nos EUA. "No entanto, à medida que os componentes de silício encolhem, seu desempenho começa a se degradar. Materiais bidimensionais, por outro lado, mantêm suas propriedades eletrônicas excepcionais na espessura atômica, oferecendo um caminho promissor."

Circuitos combinacionais e sequenciais CMOS-2D.[Imagem: Subir Ghosh et al. - 10.1038/s41586-025-08963-7]

Computador sem silício

A equipe do professor Das é uma das duas que acaba de anunciar a criação de um computador semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS), a tecnologia que é a base de praticamente todos os dispositivos eletrônicos modernos, sem depender do silício.

Em vez disso, eles usaram dois materiais bidimensionais diferentes para desenvolver os dois tipos de transistores necessários para controlar o fluxo de corrente elétrica nos computadores CMOS: o dissulfeto de molibdênio, para fabricar os transistores do tipo n, e o disseleneto de tungstênio, para fabricar os transistores do tipo p.

"Esse é o principal avanço do nosso trabalho," disse Das. "Nós demonstramos, pela primeira vez, um computador CMOS construído inteiramente com materiais bidimensionais, combinando transistores de dissulfeto de molibdênio e disseleneto de tungstênio cultivados em grandes áreas."

A equipe utilizou a deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD) - um processo de fabricação que envolve a vaporização dos ingredientes, forçando uma reação química e depositando os materiais sobre um substrato - para produzir grandes folhas de dissulfeto de molibdênio e disseleneto de tungstênio e fabricar mais de 1.000 unidades de cada tipo de transístor. Ajustando cuidadosamente as etapas de fabricação e pós-processamento, eles conseguiram ajustar as tensões de limiar dos transistores do tipo n e p, permitindo a construção de circuitos lógicos CMOS totalmente funcionais.

"Nosso computador CMOS 2D opera em baixas tensões de alimentação, com consumo mínimo de energia, e pode executar operações lógicas simples em frequências de até 25 quilohertz," disse Subir Ghosh, principal responsável pela inovação.

Estrutura do processador OISC CMOS-2D, uma máquina de uma instrução.[Imagem: Subir Ghosh et al. - 10.1038/s41586-025-08963-7]

Máquina de uma instrução

O processador construído por Ghosh é de um tipo muito simples, conhecido como "máquina de uma instrução", ou OISC (One Instruction Set Computer). Em comparação, arquiteturas como RISC e CISC têm dezenas ou centenas de instruções diferentes - adição, subtração, movimentação de dados, saltos condicionais etc.

Contudo, apesar de sua simplicidade, um computador de um conjunto de instruções ainda consegue executar todas as operações lógicas necessárias para ser classificado como uma "máquina Turing completa", o que equivale a dizer que ela é capaz de realizar qualquer computação possível, embora de modo muito menos eficiente, além de ser muito mais difícil de programar.

Mas é, sem dúvida, um passo importante para uma tão esperada linhagem de computadores sem silício.

"A tecnologia do silício está em desenvolvimento há cerca de 80 anos, mas a pesquisa com materiais bidimensionais é relativamente recente, tendo surgido de fato por volta de 2010," destaca Das. "Esperamos que o desenvolvimento de computadores com materiais bidimensionais também seja um processo gradual, mas [nosso trabalho] representa um salto em comparação com a trajetória do silício."

Estrutura do computador RISC fabricado pela equipe chinesa.[Imagem: Mingrui Ao et al. - 10.1038/s41586-025-08759-9]

Processador RISC 2D

Mas o trabalho da equipe de DAS não foi um progresso isolado. Uma outra equipe, da Universidade de Fudan, na China, trabalhando independentemente, apresentou um processador ainda mais avançado, com a arquitetura RISC, usando um conjunto ainda maior de transistores de molibdenita.

A diferença é que eles usaram várias camadas superpostas de molibdenita para construir seus transistores.

"Nós descrevemos um microprocessador com arquitetura de computação de conjunto de instruções reduzido (RISC-V) capaz de executar instruções padrão de 32 bits em 5.900 transistores MoS₂ e uma biblioteca completa de células padrão baseada na tecnologia de semicondutores 2D. A biblioteca contém 25 tipos de unidades lógicas. Em alinhamento com os avanços em circuitos integrados de silício, também co-otimizamos o fluxo do processo e o projeto dos circuitos lógicos 2D.

"Nossa metodologia combinada de fabricação e projeto superou os desafios significativos associados à integração em escala de pastilha de circuitos 2D e possibilitou um protótipo pioneiro de um microprocessador MoS₂ que exemplifica o potencial da tecnologia de circuitos integrados 2D além do silício," anunciou a equipe.

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