Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
Os computadores costumavam ser do tamanho de uma sala. Mas agora cabem no nosso bolso, no nosso pulso e até podem ser implantados dentro do nosso corpo. Não é fantástico? E isso é possível, graças à miniaturização dos transístores, que são os pequenos interruptores nos circuitos no coração dos nossos computadores. Conseguimos isso graças a décadas de desenvolvimento e de avanços na ciência e na engenharia e a milhares de milhões de dólares em investimento. Isso deu-nos grandes quantidades de computação, grande quantidade de memória e a revolução digital que todos experimentamos e apreciamos hoje.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
Mas o problema é que estamos prestes a atingir um obstáculo digital, porque o ritmo de miniaturização dos transístores está a diminuir de velocidade. Isso está a acontecer exatamente na mesma altura em que a inovação em "software" continua incansavelmente com a inteligência artificial e os grandes volumes de dados. Os nossos dispositivos executam regularmente o reconhecimento facial, aumentam a nossa realidade ou até mesmo dirigem carros nas estradas traiçoeiras e caóticas. É incrível! Mas se não acompanharmos o apetite do nosso "software", podemos chegar a um ponto no desenvolvimento da nossa tecnologia em que as coisas que podíamos fazer com o "software" podem ficar limitadas pelo "hardware".
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
Todos nós já experimentámos a frustração de um "smartphone" ou "tablet" antigos a funcionar lentamente até parar por completo sob o peso crescente das atualizações do "software" e de novos recursos. Funcionavam muito bem quando os comprámos, há pouco tempo. Mas os famintos engenheiros de "software" consumiram toda a capacidade do "hardware" ao longo do tempo. A indústria de semicondutores está plenamente consciente disso e está a trabalhar em todo o tipo de soluções criativas, como passar dos transístores para a computação quântica ou mesmo trabalhar com transístores com arquiteturas alternativas como redes neurais para tornar os circuitos mais robustos e eficientes. Mas essas abordagens vão demorar um pouco e estamos a procurar uma solução muito mais imediata para este problema.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
A razão por que o ritmo da miniaturização dos transístores está a diminuir é a crescente complexidade do processo de fabrico. O transístor costumava ser um dispositivo grande e volumoso, até à invenção do circuito integrado à base de bolachas de silício cristalino puro. Ao fim de 50 anos de desenvolvimento contínuo, agora podemos fabricar transístores com uma dimensão até 10 nanómetros. Podemos encaixar mais de mil milhões de transístores num só milímetro quadrado de silício. Para colocar isto em perspetiva, um cabelo humano tem 100 mícrones de diâmetro. Um glóbulo vermelho, que é praticamente invisível, tem oito mícrones de diâmetro, e podemos colocar 12 alinhados na largura de um cabelo humano. Mas um transístor, em comparação, é muito menor, com uma pequena fração de um mícron de largura. Podemos colocar mais de 260 transístores no diâmetro de um só glóbulo vermelho ou seja, mais de 3000 na largura de um cabelo humano. É uma nanotecnologia espantosa no nosso bolso. Para além do benefício óbvio de poder colocar mais transístores mais pequenos num "chip", os transístores mais pequenos são interruptores mais rápidos, e os transístores mais pequenos também são interruptores mais eficientes.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Essa combinação tem-nos dado menor custo, maior desempenho e uma eletrónica de maior eficiência de que todos desfrutamos hoje.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
Para fabricar esses circuitos integrados, os transístores são montados camada a camada, numa bolacha de silício cristalino puro. Para dizê-lo de forma simples, cada pequena característica do circuito é projetada na superfície da bolacha de silicone e gravada numa camada de material sensível à luz e depois gravada através do material sensível à luz para deixar o padrão nas camadas subjacentes. Este processo tem melhorado drasticamente ao longo dos anos para dar à eletrónica o desempenho que temos hoje.
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
Mas à medida que as características do transístor diminuem, estamos a aproximar-nos das limitações físicas desta técnica de fabrico. Os sistemas mais recentes para realizar esse padrão tornaram-se tão complexos que custam mais de 100 milhões de dólares cada. E as fábricas de semicondutores possuem dezenas dessas máquinas. Então, as pessoas estão a questionar se esta abordagem é viável a longo prazo. Acreditamos que podemos fabricar os "chips" de uma forma totalmente diferente e muito mais económica, usando a engenharia molecular e imitando a natureza à dimensão em nanoescala dos nossos transístores.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
Como eu disse, o fabrico convencional agarra em todas as pequenas características do circuito e projeta-as no silício. Mas se olharmos para a estrutura de um circuito integrado, para as matrizes do transístor, muitas das características repetem-se milhões de vezes. É uma estrutura altamente periódica. Então, queremos tirar partido dessa periodicidade na nossa técnica alternativa de fabrico. Queremos usar materiais de montagem automática para formar naturalmente as estruturas periódicas de que precisamos para os transístores. Fazemos isso com os materiais, e depois os materiais fazem o trabalho difícil do padrão fino, em vez de empurrarem a tecnologia de projeção para além do seu limite. Vemos a automontagem na Natureza em muitos lugares diferentes, nas membranas lipídicas nas estruturas celulares, por isso sabemos que pode ser uma solução robusta. Se é bom para a Natureza, deve ser bom para nós. Queremos aproveitar esta automontagem robusta que ocorre naturalmente e usá-la para o fabrico da nossa tecnologia de semicondutores.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
Um tipo de material de montagem automática — chama-se copolímero em bloco — consiste em duas cadeias de polímeros só com umas dezenas de nanómetros de comprimento. Mas essas cadeias odeiam-se. Repelem-se, como o óleo e a água ou o meu filho e a minha filha adolescentes.
(Laughter)
(Risos)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
Mas nós unimo-las cruelmente, criando uma frustração intrínseca no sistema, enquanto tentam separar-se. Nesta matéria prima, há milhares de milhões destas cadeias, e as cadeias semelhantes tentam manter-se juntas e as cadeias opostas tentam separar-se umas das outras tudo ao mesmo tempo. Isso provoca uma frustração interna, uma tensão no sistema. Elas deslocam-se, retorcem-se até se criar uma forma. Essa forma automontada natural que se forma à nanoescala, é regular, é periódica, e a longo prazo, o que é exatamente aquilo de que precisamos para as matrizes do transístor.
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
Assim, podemos usar a engenharia molecular para projetar formas diversas de tamanhos diferentes e de diferentes periodicidades. Por exemplo, se tomarmos uma molécula simétrica, em que as duas cadeias de polímeros têm o mesmo comprimento, a estrutura automontada que se forma naturalmente é uma linha longa e sinuosa, muito parecida com uma impressão digital. E a largura das linhas dessa impressão digital e a distância entre elas são determinadas pelo comprimento das cadeias de polímeros mas também pelo nível da frustração interna do sistema.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
Até podemos criar estruturas mais elaboradas se usarmos moléculas assimétricas, em que uma cadeia de polímeros é significativamente mais curta que a outra. A estrutura automontada que se forma neste caso constitui uma bola apertada com as correntes curtas no meio, cercada pelas cadeias de polímeros opostas, mais compridas, formando um cilindro natural. O tamanho deste cilindro e a distância entre os cilindros, a periodicidade, são de novo determinados pelo comprimento que damos às cadeias de polímeros e pelo nível de frustração interna.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
Por outras palavras, estamos a usar a engenharia molecular para automontar estruturas à nanoescala que podem ser linhas ou cilindros com o tamanho e a periodicidade do nosso "design". Estamos a usar a química, a engenharia química, para fabricar as características necessárias para os transístores.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
Mas a capacidade de automontar essas estruturas só nos leva a meio do caminho, porque ainda precisamos de posicionar essas estruturas onde queremos os transístores no circuito integrado. Mas podemos fazer isso com relativa facilidade usando largas estruturas guias que fixam as estruturas automontadas, prendendo-as no seu lugar e forçando o resto das estruturas automontadas a manterem-se em paralelo, alinhadas com a nossa estrutura guia. Por exemplo, se quisermos fazer uma linha fina de 40 nanómetros, que é muito difícil de fabricar com a tecnologia de projeção convencional, podemos fabricar uma estrutura guia de 120 nanómetros com a tecnologia de projeção normal, e essa estrutura alinhará três das linhas de 40 nanómetros no meio. Então, são os materiais que fazem o trabalho mais difícil.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
Chamamos a toda esta abordagem "automontagem dirigida". O problema da automontagem dirigida é que todo o sistema precisa de alinhar quase perfeitamente, porque qualquer pequeno defeito na estrutura pode causar a falha do transístor. E como há milhares de milhões de transístores no nosso circuito, precisamos de um sistema quase molecularmente perfeito. Mas estamos a fazer esforços extraordinários para conseguir isso, seja a limpeza da nossa química seja o processamento cuidadoso destes materiais na fábrica de semicondutores para remover os mais pequenos defeitos nanoscópicos.
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
A automontagem dirigida é uma tecnologia revolucionária, promissora, mas ainda está na fase de desenvolvimento. Mas cada vez temos mais confiança de que podemos apresentá-la à indústria de semicondutores como um novo processo revolucionário de fabrico nos próximos anos. Se pudermos fazer isso, se tivermos sucesso, poderemos continuar com a miniaturização de transístores, económica e eficiente, continuar com a expansão espetacular da computação e a revolução digital. Além do mais, isso até pode ser o alvorecer de uma nova era de fabrico molecular. Não é fantástico?
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)