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 em nosso bolso, em nosso pulso e podem até mesmo ser implantados dentro do nosso corpo. Isso é muito legal, não é? Isso foi possível pela miniaturização de transistores, que são os pequenos interruptores nos circuitos no coração dos nossos computadores. E isso foi alcançado através de décadas de desenvolvimento e avanços na ciência e engenharia e de bilhões de dólares em investimento. Mas nos deu grandes quantidades de capacidade, enormes quantidades de memória e a revolução digital que todos nós conhecemos e desfrutamos 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 a má notícia é que estamos prestes a atingir um obstáculo digital, conforme a taxa de miniaturização de transistores está diminuindo. E isso está acontecendo exatamente ao mesmo tempo em que a nossa inovação em software continua incansavelmente com inteligência artificial e grande volume de dados. Os dispositivos realizam reconhecimento facial, aumentam a nossa realidade ou até mesmo dirigem carros pelas nossas estradas perigosas 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 faríamos com o software poderiam, de fato, ser limitadas pelo nosso 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 já experimentamos a frustração de um smartphone ou tablet antigo morrendo lentamente até parar ao longo do tempo sob o peso cada vez maior de atualizações de software e novos recursos. E eles funcionavam muito bem há pouco tempo quando os compramos. Mas os engenheiros de software esfomeados consumiram toda a capacidade de hardware ao longo do tempo. A indústria de semicondutores está muito ciente disso e está trabalhando em todo tipo de soluções criativas, como ir além dos transistores para a computação quântica ou mesmo trabalhando com transistores em arquiteturas alternativas, como redes neurais, para fazer circuitos mais robustos e eficientes. Mas essas abordagens levarão algum tempo e estamos procurando uma solução muito mais imediata para esse 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 taxa de miniaturização de transistores está diminuindo devido à complexidade cada vez maior do processo de fabricação. O transistor costumava ser um dispositivo grande e volumoso, até a invenção do circuito integrado baseado em pastilhas de silício cristalino puro. E depois de 50 anos de desenvolvimento contínuo, podemos alcançar dimensões de recursos de transistores de até 10 nanômetros. Podemos encaixar mais de um bilhão de transistores em um único milímetro quadrado de silício. E para colocar isso em perspectiva: um fio de cabelo humano tem 100 mícrons de espessura. Um glóbulo vermelho, que é essencialmente invisível, tem oito mícrons de diâmetro e podemos colocar 12 na espessura de um fio de cabelo humano. Mas um transistor, em comparação, é muito menor, com uma pequena fração de um mícron de diâmetro. Podemos colocar mais de 260 transistores através de um único glóbulo vermelho ou mais de 3 mil na espessura de um fio de cabelo humano. É realmente incrível a nanotecnologia no nosso bolso nesse momento. E além do benefício óbvio de poder colocar mais transistores menores em um chip, transistores menores são interruptores mais rápidos e também mais eficientes.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Então essa combinação nos deu o menor custo, maior desempenho e maior eficiência eletrônica que todos nós 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 estes circuitos integrados, os transistores são construídos camada por camada, numa pastilha de silício cristalino puro. E em um sentido simplista, cada minúsculo recurso do circuito é projetado sobre a superfície da pastilha de silício, gravado em material sensível à luz e, em seguida, gravado através do material sensível à luz, para deixar o padrão nas camadas subjacentes. E este processo foi drasticamente melhorado ao longo dos anos para proporcionar o desempenho eletrônico 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 conforme os recursos do transistor ficam cada vez menores, nos aproximamos das limitações físicas desta técnica de fabricação. Os sistemas mais recentes para fazer esse padrão tornaram-se tão complexos que custariam mais de US$ 100 milhões cada. E as fábricas de semicondutores contêm dezenas dessas máquinas. Então as pessoas estão questionando: esta abordagem é viável a longo prazo? Mas acreditamos que podemos fabricar os chips de uma maneira totalmente diferente e muito mais econômica usando engenharia molecular e imitando a natureza nas dimensões nanoscópicas de nossos transistores.
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, a manufatura convencional usa todos os recursos do circuito e projeta-o no silício. Mas se observarmos a estrutura de um circuito integrado, as matrizes dos transistores, muitas das funcionalidades são repetidas milhões de vezes. É uma estrutura altamente periódica. Então, queremos aproveitar essa periodicidade em nossa técnica de fabricação alternativa. Queremos usar materiais de automontagem para formar naturalmente as estruturas periódicas que precisamos para nossos transistores. Fazemos isso com os materiais, que, então, fazem o trabalho duro da padronização fina, ao invés de empurrar a tecnologia de projeção para seus limites e além. A automontagem é vista na natureza em muitos lugares diferentes, de membranas lipídicas a estruturas celulares, então sabemos que pode ser uma solução robusta. Se é bom o suficiente para a natureza, deve ser bom o suficiente para nós. Então, queremos pegar essa automontagem robusta e natural e usá-la para a fabricação de 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 automontagem, chamado de copolímero em bloco, consiste em duas cadeias poliméricas com umas dezenas de nanômetros de comprimento. Mas essas cadeias se odeiam. Elas se repelem, muito parecido com óleo e água ou meu filho e 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 cruelmente os unimos, criando uma frustração inerente no sistema conforme eles tentam se separar um do outro. No material a granel, há bilhões deles, os componentes similares tentam ficar juntos e os componentes opostos tentam se separar um do outro, ao mesmo tempo. E isso tem uma frustração embutida, uma tensão no sistema. Ele se move, se contorce até que surge uma forma. E a forma natural de automontagem que surge é em nanoescala, é regular, periódica e de longo alcance, que é exatamente o que precisamos para nossas matrizes de transistores.
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.
Então podemos usar engenharia molecular para projetar diferentes formas de diferentes tamanhos e diferentes periodicidades. Por exemplo, se pegarmos uma molécula simétrica, em que as duas cadeias poliméricas são de comprimento semelhante, a estrutura automontada natural que é formada é uma linha longa e sinuosa parecida com uma impressão digital. A largura das linhas da impressão digital e a distância entre elas é determinada pelo comprimento de nossas cadeias poliméricas, mas também pelo nível de frustração embutida no 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.
E podemos até criar estruturas mais elaboradas se usarmos moléculas assimétricas, nas quais uma cadeia polimérica é significativamente mais curta que a outra. E a estrutura automontada que se forma neste caso está com as cadeias mais curtas formando uma bola apertada no meio, e é cercada por cadeias poliméricas mais longas e opostas, formando um cilindro natural. O tamanho deste cilindro e a distância entre os cilindros, a periodicidade, é determinado por quanto tempo fazemos as cadeias poliméricas e o nível de frustração embutida.
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.
Então, em outras palavras, estamos usando engenharia molecular para automontar estruturas em nanoescala que podem ser linhas ou cilindros do tamanho e periodicidade do nosso projeto. Usamos química, engenharia química, para fabricar os recursos em nanoescala que precisamos para nossos transistores.
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 até a metade do caminho, porque ainda precisamos posicionar essas estruturas onde queremos os transistores no circuito integrado. Mas podemos fazer isso com relativa facilidade usando estruturas de guia largas que fixam as estruturas automontadas, ancorando-as no lugar e forçando o resto das estruturas automontadas a ficarem em paralelo, alinhado-as com a nossa estrutura de guia. Por exemplo, se quisermos fazer uma linha fina de 40 nanômetros, que é muito difícil de fabricar com tecnologia de projeção convencional, podemos fabricar uma estrutura de guia de 120 nanômetros com tecnologia de projeção normal, e essa estrutura alinhará três das linhas de 40 nanômetros entre elas. Então os materiais estão fazendo o padrão fino 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 toda essa abordagem de "automontagem dirigida". O desafio da automontagem dirigida é que todo o sistema precisa se alinhar quase perfeitamente, porque qualquer defeitozinho na estrutura pode causar uma falha no transistor. E porque há bilhões de transistores em nosso circuito, precisamos de um sistema quase molecularmente perfeito. Mas estamos tomando medidas extraordinárias para alcançar isto, da limpeza de nossa química ao processamento cuidadoso dos materiais na fábrica de semicondutores para eliminar até mesmo os menores 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 nova tecnologia inovadora, mas ainda está em fase de desenvolvimento. Estamos crescendo na confiança de que podemos, de fato, introduzi-la na indústria de semicondutores como um novo processo de fabricação revolucionário nos próximos anos. E se pudermos fazer isso, se formos bem-sucedidos, nós poderemos continuar com a miniaturização econômica de transistores, continuar com a espetacular expansão da computação e da revolução digital. E mais, isso poderia ser o alvorecer de uma nova era de fabricação molecular. Isso é muito legal, não é?
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)