Nanômetros também são parte de chips mais obscuros, como controladores de diversos tipos (Foto: Filipe Garrett/TechTudo)

Sabendo disso fica fácil entender porque um processador de 14 nm é inerentemente mais econômico do que um de 22 nanômetros: a menor escala significa que a energia elétrica encontra menor resistência para viajar no interior do chip. Se a resistência é menor, o consumo elétrico cai, porque o chip desperdiça menor quantidade de energia, já que ele precisa receber uma quantidade menor para vencer a resistência.

Por fim, existe também efeitos positivos no custo de fabricação. Entretanto, esse aspecto acaba sendo engolido atualmente pelos valores astronômicos do desenvolvimento de tecnologia para a fabricação de maquinário que permita a produção em larga escala de chips em arquiteturas cada vez menores. No fim das contas, a diminuição de custos é relevante para as indústrias e não para o consumidor.

Economia e performance no mundo real

Se você acompanhou os três pontos cruciais da ideia de diminuir cada vez mais um transistor (aumento da densidade de transistores por conta da economia de espaço, potencial de aumento de velocidade e diminuição de consumo), você deve estar se perguntando: por que, no fim das contas, as vantagens de um processador novo de 14 nanômetros sobre um de 22 nm são tão difíceis de serem percebidas?

Outro efeito positivo da diminuição de tamanho é a queda nos custos de manufatura (Foto: Divulgação/Intel)

São várias razões, mas do ponto de vista do hardware, muito do ganho teórico acaba se perdendo, porque o fabricante usa a margem ganha com o encolhimento para melhorar o chip em outros aspectos.

Um exemplo: suponhamos que a Intel fabricava um i3 dual-core de 22 nanômetros e que podia rodar a 2 GHz. Ao descer para 14 nm, torna-se possível fazer um i3 de dois núcleos rodar nos mesmos 2 GHz, mas com uma economia considerável de energia e com muito menos calor gerado. Só que a 14 nanômetros, esse chip vai esquentar e gastar menos, dando margem para que a Intel, no fim das contas, lance o processador com 2.5 GHz. Essa diferença de 500 MHz a mais faz a CPU i3 de 14 nanômetros mais rápida, mas acaba com a vantagem do menor consumo e calor: para rodar esses 500 MHz a mais, o chip vai precisa de mais eletricidade e vai esquentar a mesma coisa que o seu antecessor.

Outros efeitos acabam dilapidando essas vantagens teóricas: a Apple fabricava um MacBook com bateria de 8.000 mAh, que aguentava até 10 horas de uso com um processador de 22 nanômetros. Se a fabricante usasse essa mesma bateria no chip de 14 nanômetros, a autonomia poderia passar das 12 horas. Entretanto, aproveitando o avanço do processador, a Apple decidiu redesenhar o MacBook, sacrificando a bateria para torná-lo mais leve e fino, e ainda assim mantendo as 10 horas de autonomia.

O exemplo da Apple se estende por toda a indústria e vale para smartphones, tablets e até consoles: os novos PS4 Slim e Xbox One S se tornam viáveis porque seus processadores encolheram alguns nanômetros.

Em números reais

O cenário descrito anteriormente é a norma na indústria, mas há alguns episódios em que ele não ocorre: um caso famoso foi o iPad 2, lançado originalmente com um processador de 45 nanômetros. Depois de um tempo, a Apple apresentou uma nova versão do tablet com um processador que tinha rigorosamente o mesmo design, contagem de núcleos, transistores e velocidade final: a única diferença é que o chip era feito em 32 nanômetros.

A imagem mostra o interior dos processadores A5 dos iPad 2: à esquerda, a versão de 45 nanômetros, à direita, a de 32 nm (Foto: Reprodução/Chipworks)

Isso permitiu testes aprofundados para determinar o quanto a diminuição de 13 nm significaria em termos de performance. O site Ars Technica realizou esses testes, que consluiram que o iPad 2 com processador menor consumia 16% menos bateria que o modelo anterior. Lembre-se que os dois tablets eram iguais em memória RAM, tela e demais especificações.

Encolher até quando?

Como você viu, diminuir a escala em que os componentes eletrônicos de um microchip são fabricados é essencial para que a tecnologia possa progredir, já que a diminuição abre espaço para processadores cada vez mais rápidos e econômicos.

IBM investiga o uso do germânio na confecção de chips de 7 nanômetros (Foto: Divulgação/IBM)

No entanto, aplicando um raciocínio simples, é possível entender que esse jogo não pode continuar infinitamente, já que, em alguma altura, a distância desses transistores será tão pequena, mas tão pequena, que se aproximará perigosamente das dimensões físicas de átomos. Nesse momento, as leis da física mudam para as leis quânticas e muito do que falamos aqui sobre eletricidade e resistência deixa de funcionar.

O assunto é absurdamente complexo, mas é possível extrair uma noção geral do problema. Acredita-se que, a partir de 5 ou 7 nanômetros, torna-se impossível controlar o funcionamento do processador, porque a distância entre os transistores fica tão pequena que a eletricidade (nesse caso, entenda a energia como os elétrons em si) pode simplesmente pular esse espaço entre terminais.

O problema é que processadores, GPUs, memórias de todos os tipos e qualquer controlador que você imaginar funcionam porque eles conseguem administrar corretamente a passagem da energia entre transistores: por vezes, um transistor está ligado, situação em que admite a passagem de elétrons (1); mas em outros casos, ele precisa estar desligado, cenário em que a porta por onde a energia deve fluir fica fechada para bloquear a sua passagem (0).

A ideia de transistores ou ligados, ou desligados, é que dá a natureza binária da tecnologia: tudo que nossos dispositivos fazem está baseado no código binário de 0 e 1. Se o processador não consegue garantir que o transistor está no estado correto, desligado para a passagem de energia, nada vai funcionar direito.

Como resolver?

O problema é conhecido há décadas porque muito antes de nós especularmos sobre ele aqui, cientistas já vinham antecipando o problema da barreira dos 5 nanômetros. Atualmente, existem pesquisas sendo realizadas em institutos do mundo todo para descobrir formas de contornar o problema: uso de grafeno, germânio, nanotubos de carbono e outras pesquisas com materiais exóticos e engenharia muito criativa visam desenvolver uma saída para o problema.

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