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Transístor térmico promete revolução tecnológica, se viável

Transístor térmico promete controlar calor tal qual o tradicional para eletricidade; se viável, componente pode mudar tudo

04/01/2024 às 11:10

O transístor elétrico é seguramente a segunda invenção mais importante do século XX, atrás apenas dos antibióticos. O componente se tornou a pedra angular da computação moderna, substituindo as enormes válvulas termiônicas, viabilizando um design miniaturizado que reduziu os computadores, que ocupavam prédios inteiros, a algo que você leva no seu bolso, ou no pulso.

A título de comparação, o ENIAC, o primeiro computador digital programável do mundo, que usava válvulas, tinha um clock médio de 2,25 MHz, e 6 bits de memória (1.200 caracteres), mas pesava 27 toneladas, tinha 30 metros de comprimento, 2 m de altura e 1 m de profundidade. Um iPhone 15 Pro Max, por sua vez, tem um clock máximo 1.720 vezes mais rápido (3,78 GHz), 10 bilhões de vezes mais RAM (8 GB), e pesa 221 g.

Pesquisadores afirmam que transístores térmicos podem ser implementados hoje, em diversas aplicações (Crédito: H-Lab/UCLA)

Pesquisadores afirmam que transístores térmicos podem ser implementados hoje, em diversas aplicações (Crédito: H-Lab/UCLA)

O transístor viabilizou melhores e menores dispositivos de rádio e TV, a computação pessoal e a internet, mas há um preço a ser pago: calor. Chips de alto desempenho podem atingir temperaturas incrivelmente altas, a maior parte da energia empregada por data centers não é para processamento, mas para resfriamento, e soluções curiosas já foram consideradas. A dissipação passiva controla o aquecimento, mas dispensa todo o calor gerado.

E se houvesse uma forma de regular a passagem de calor, tal qual a eletricidade? Estudos para o desenvolvimento de transístores térmicos, que funcionariam tal qual os elétricos, não são exatamente uma novidade, mas pesquisas promissoras começaram a aparecer em 2023, no Japão e nos Estados Unidos, sendo a última a mais avançada.

Transístor térmico: revolução ou alarme falso?

Em um transístor tradicional, a passagem de energia resulta em geração de calor, e quanto menores eles foram ficando com o tempo, mais foram sendo atochados em processadores e outras soluções, em áreas cada vez menores. Resultado, um processador topo de linha para desktops pode alcançar um clock superior a 5 GHz, mas isso proporcionalmente significa uma quantidade de calor gerada insana, que se deixada sem controle, impacta no desempenho do chip, para dizer o mínimo.

As soluções que temos hoje lidam com o aquecimento e chips e componentes de forma passiva, as temperaturas são controladas, mas todo aquele calor gerado é perdido, tratado como material de descarte, o que significa energia perdida. É similar a uma lâmpada incandescente antiga, a maior parte da energia consumida virava calor, não luz.

O conceito de transístor térmico se baseia em lidar com esses dois problemas, um método de resfriamento ativo E evitar o desperdício de energia, com a perda do calor gerado pelos componentes. Ele usa basicamente o mesmo método do tradicional, mas ao invés de regular a passagem de eletricidade, ele libera ou barra/redireciona a passagem de calor, usando sinais elétricos.

O problema, soluções anteriores não eram tão eficientes, principalmente por dependerem de partes móveis, que Clarke não aprova. Porém, em fevereiro de 2023, pesquisadores da Universidade de Hokkaido, no Japão, apresentaram o primeiro conceito de um transístor térmico de estado sólido, usando materiais como zinco e estrôncio, que se revelaram tão eficientes quanto modelos de estado líquido, que têm velocidades de comutação mais lentas.

Em novembro do mesmo ano, um time de cientistas da Universidade da Califórnia (UCLA) apresentou um método diferente de estado sólido, que controla a passagem de calor ao nível atômico.

Transístor térmico seria escalável, e possível de implementar em designs atuais (Crédito: Man Li et al. - 10.1126/science.abo4297)

Transístor térmico seria escalável, e possível de implementar em designs atuais (Crédito: Man Li et al. - 10.1126/science.abo4297)

O projeto apresentado pela equipe do prof. Dr. Yongjie Hu é ainda mais miniaturizado que a pesquisa dos japoneses, e possui efeito de campo, ou seja, é capaz de modular a condutividade térmica de um material pela aplicação de um campo elétrico externo. Por fazer uso das relações moleculares em dimensões verdadeiramente diminutas, o transístor térmico da UCLA é compatível com os elétricos e pode, segundo o pesquisador, ser implementado hoje em diversos designs e produtos, como motores de combustão, baterias e semicondutores, sendo barato e escalável.

Mesmo considerando se tratar de um protótipo, o componente já alcançou uma alta velocidade de comutação, ultrapassando 1 MHz, além de um ajuste de mais de 1.300% da condutância térmica de contato, e desempenho estável por mais de 1 milhão de ciclos. Hu acredita que sua pesquisa representa uma "revolução" tal qual foi a criação do transístor original: enquanto o primeiro permitiu controlar a passagem de energia, o segundo faz o mesmo com o calor, o que "não era possível" com tamanha precisão.

O artigo menciona que a precisão é tamanha, que permite até mesmo estudar os mecanismos de regulação de calor em células vivas, além de ser um passo para o devido desenvolvimento do campo da Fonônica, ou "eletrônica do calor".

O transístor elétrico viabilizou a computação moderna; se viável, o térmico pode revolucionar como lidamos com a dissipação de calor (Crédito: Executive Office of the President of the United States/domínio público)

O transístor elétrico viabilizou a computação moderna; se viável, o térmico pode revolucionar como lidamos com a dissipação de calor (Crédito: Executive Office of the President of the United States/domínio público)

Claro que é prudente ir devagar com o andor. Afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias, e já demos com os burros n'água algumas vezes com pesquisas promissoras, do EmDrive à supercondutividade em temperatura ambiente.

O desenvolvimento de um transístor térmico, que conduza e redirecione a emissão de calor por semicondutores de modo que ele possa ser aproveitado, enquanto mantém as temperaturas de chips controladas, representaria um avanço gigantesco na computação e em outros ramos de estudo, se provado viável.

As pesquisas do prof. Hu e sua equipe da UCLA, e dos cientistas da Universidade de Hokkaido, apontam para um futuro interessante para a Tecnologia da Informação, para a Física e até para a Medicina, mas ambos artigos serão devidamente devorados por pares, e seus experimentos replicados à exaustão, para garantir que estamos diante de um novo passo fundamental da evolução tecnológica, ou de outro alarme falso.

Referências bibliográficas

YANG, Q., CHO, H. J., BIAN, Z. et al. Solid-State Electrochemical Thermal Transistors. Advanced Functional Materials, Volume 33, Edição 19, 8 páginas, 8 de maio de 2023. Disponível aqui.

LI, M., WU, W., AVERY, E. M. et al. Electrically gated molecular thermal switch. Science, Volume 382, Edição 6.670, 2 de novembro de 2023. Disponível aqui.

Fonte: Scientific American

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