Como funciona o Microchip

Todos eles são bastante diferentes entre si, mas de modo geral podemos dizer que um microchip não passa de um circuito eletrônico miniaturizado. Esse circuito, por sua vez, é composto por diversos componentes eletrônicos, sendo capaz de realizar uma determinada função. O chip de um relógio digital, por exemplo, possui um circuito eletrônico capaz de “marcar” o tempo (com grande precisão), exibindo o horário corrente num visor. Já o chip de freios ABS contém um circuito eletrônico capaz de monitorar a rotação das rodas e impedir seu travamento.

Mas a pergunta permanece: e como os microchips são capazes de desempenhar essas funções? E o que há dentro deles?

Sintonizando as ondas do rádio

    O elemento principal de um microchip é o transistor. Dentro de um pequeno microchip pode haver desde uma dúzia até alguns milhões de transistores. Os transistores são arranjados de forma a criar blocos funcionais que uma vez interligados tornam o chip capaz de realizar algum tipo de processamento.

    Mas, para entendermos o funcionamento dos transistores -- os componentes principais do microchip --, devemos retroceder na História e refazer parte do caminho percorrido pela eletrônica. Devemos voltar ao tempo das válvulas e relês…

    Em 1883, o conhecido inventor Thomas Alva Edison (1847-1931) estava em seu laboratório trabalhando com lâmpadas elétricas de filamento quando um fenômeno curioso lhe chamou a atenção. Uma placa metálica havia sido introduzida na parte superior de uma lâmpada elétrica comum, bem em frente ao filamento metálico. Acendendo a lâmpada e ligando a placa metálica ao pólo positivo de uma bateria e o filamento da lâmpada ao pólo negativo, era possível medir uma corrente elétrica fluindo. Na época, Edson não soube explicar o que estava acontecendo. Como poderia haver tal corrente elétrica se
a placa metálica estava isolada, isto é, não encostava no filamento? O que estava “fechando o circuito” entre a placa e o filamento?

    Hoje se sabe que tal fenômeno (chamado “efeito termoiônico”) deve-se ao fato de o filamento emitir uma grande quantidade de elétrons que são atraídos pela placa, estabelecendo assim uma corrente elétrica.

    O efeito termoiônico deve-se à estrutura atômica dos metais. Todo corpo metálico possui elétrons livres que, a qualquer temperatura, possuem um movimento desordenado em virtude de sua agitação térmica. À temperatura ambiente, os elétrons não conseguem se libertar-se do metal porque são atraídos pelos íons positivos da rede cristalina e não possuem energia suficiente para vencer esta atração. Contudo, se a temperatura do corpo for aumentada, a agitação térmica dos elétrons também aumentará e um grande número deles conseguirá escapar da atração dos íons positivos. Estes elétrons que escapam do material passam a formar uma nuvem eletrônica próxima à superfície do corpo. Se houver um outro corpo metálico positivamente carregado próximo a essa nuvem, os elétrons serão atraídos e uma corrente elétrica se estabelecerá.

    Algum tempo depois, um físico inglês, John Ambrose Fleming, percebeu que a descoberta de Edison podia ser bastante útil para melhorar a recepção de sinais de rádio. Na época, já se conseguia gerar ondas de rádio para transmitir informação; a grande dificuldade era a recepção dos sinais. No início, utilizava-se certos tipos de cristais capazes de conduzir corrente elétrica em um determinado sentido. Eram chamados “cristais retificadores” e serviam para separar a onda portadora da informação que ela carregava. A idéia de Fleming era utilizar o efeito termoiônico em dispositivos que viessem a substituir os cristais retificadores. Esses dispositivos ficaram conhecidos como “válvulas termoiônicas”.

    As primeiras válvulas eram do tipo “diodo” (possuíam dois eletrodos) e nada mais eram do que uma adaptação da lâmpada com a qual Edison descobriu o efeito termoiônico. Consistiam de um cilindro metálico (o catodo, isto é, o eletrodo negativo), que era aquecido por meio de um filamento existente em seu interior. Este cilindro era envolvido por outro, também metálico, que constituía o anodo da válvula (o eletrodo positivo). Aplicando-se uma tensão elétrica aos dois eletrodos, os elétrons que eram emitidos pelo catodo aquecido em virtude do efeito termoiônico dirigiam-se para o anodo. Os eletrodos eram envolvidos em uma cápsula (geralmente de vidro) e no seu interior era feito vácuo  -- a fim de facilitar o deslocamentos dos elétrons.

    As válvulas diodo, desde sua invenção, passaram a ser amplamente empregadas em circuitos eletrônicos. Assim como os cristais retificadores, era possível, com elas, separar uma onda portadora da informação carregada por ela.

    O passo seguinte no aperfeiçoamento das válvulas foi dado pelo norte-americano Lee de Forest (1873-1961). Ele adicionou um novo componente à válvula de Fleming: era um terceiro eletrodo, chamado grade -- uma rede ou espiral de pequeninos fios envolvendo o catodo. O potencial negativo da grade controlava o fluxo dos elétrons do catodo para o anodo. Quanto menor o potencial negativo da grade, mais elétrons podiam fluir através da válvula. Ou seja, a grade funcionava como uma espécie de controle de corrente elétrica na válvula -- como uma torneira que controla o fluxo de água. Dessa forma, era possível injetar na grade um sinal bem fraco (como o que chega de uma antena) e obter um sinal praticamente idêntico, porém bem mais forte, entre o catodo e o anodo. Em outras palavras, era possível utilizar a válvula como um dispositivo amplificador. Por possuir agora três eletrodos, esse tipo de válvula termoiônica ficou conhecida como “triodo”.

    A válvula triodo de de Forest representou um grande avanço para a engenharia eletrônica. Com esse dispositivo amplificador foi possível aperfeiçoar não apenas rádios, mas também equipamentos telefônicos e televisores. As válvulas permitiram até a construção dos primeiros computadores totalmente eletrônicos, isto é, sem partes eletromecânicas móveis.

    Apesar de todo o avanço na área da eletrônica, as válvulas estavam longe de ser perfeitas. Pelo contrário, elas tinham muitos defeitos e traziam muita dor de cabeça para os engenheiros da época. Em primeiro lugar, eram relativamente grandes, se comparadas com outros componentes dos circuitos eletrônicos. Em segundo lugar, não duravam muito e eram pouco confiáveis (o filamento podia queimar ou o encapsulamento podia rachar, comprometendo o vácuo). Além disso, devido ao filamento aquecido, as válvulas consumiam muita energia e dissipavam muito calor. Equipamentos com muitas válvulas eram um grande problema, pois a qualquer momento uma delas podia se queimar…

Biografia de Thomas Edison
http://www.treasure-troves.com/bios/Edison.html

Página da PBS sobre Lee de Forest
http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/btfore.html

    Os problemas das válvulas motivaram alguns pesquisadores a procurar soluções alternativas. Resultados promissores começaram a ser encontrados com o uso de materiais chamados semicondutores (principalmente silício e germânio). São materiais que não podem ser classificados nem como condutores nem como isolantes, situando-se pois num grupo intermediário. Trabalhando com esses materiais, alguns cientistas descobriram que a adição de quantidades muito pequenas de certas sustância (chamadas impurezas) a um semicondutor pode alterar consideravelmente suas propriedades elétricas. Assim, adicionando-se uma pequena quantidade de fósforo a uma amostra de silício, obtém-se um condutor elétrico semelhante a um metal, isto é, a condução elétrica nesta substância é feita por meio de elétrons livres. Dizemos que um semicondutor como este é do tipo n (condução feita por cargas negativas). Por outro lado, se uma pequena quantidade de boro é adicionada ao silício puro, verifica-se que ele também conduz eletricidade, mas tudo se passa como se a corrente elétrica fosse constituída pelo movimento de cargas positivas. Por este motivo, dizemos que o silício dopado com boro é um semicondutor do tipo p (condução por cargas positivas). 

    Os cientistas foram além e começaram a colocar lado a lado amostras de silício tipo p e amostras de silício tipo n, formando “junções pn”. Ligando-se uma bateria a um cristal pn de modo que o contato do pólo negativo desta bateria seja feito com o lado p e o pólo positivo com o lado n, observa-se um grande aumento das cargas positivas e negativas existentes na interface da junção. Este fato impede que a corrente atravesse o cristal pn, e ele se compara a um material isolante. Entretanto, invertendo-se a polaridade da bateria -- o pólo positivo sendo ligado ao lado p e o negativo ao lado n --, haverá uma diminuição considerável das cargas elétricas na junção. Nestas condições, a corrente elétrica pode fluir pelo cristal pn.

    É fácil observar que o comportamento de uma junção pn se assemelha ao de uma válvula diodo, deixando passar corrente elétrica em um sentido (de p para n), e impedindo a passagem no sentido contrário (de n para p). Surgiu assim o diodo semicondutor, bem mais econômico, confiável e durável do que as válvulas diodo.

    Logo foi a vez da válvula triodo ser substituída por um dispositivo semicondutor. Descobriu-se que um cristal semicondutor com duas junções (pnp ou npn) era capaz de produzir amplificações semelhantes àquelas conseguidas com as válvulas. Em outras palavras, uma pequena corrente na camada central (como um sinal de rádio que viajou grandes distâncias) era capaz de controlar o fluxo maior de corrente entre as duas outras camadas. Dessa forma, a corrente mais forte “imitava” o comportamento da corrente mais fraca. O resultado era uma versão amplificada do sinal fraco. Esse triodo semicondutor foi chamado de transistor.

O que são semicondutores
http://www.treasure-troves.com/physics/Semiconductor.html

Glossário sobre semicondutores
http://rel.semi.harris.com/docs/lexicon/preface.html

The Silicon Zoo
http://micro.magnet.fsu.edu/creatures/index.html

IBM Microelectronics Gallery
http://www.chips.ibm.com/gallery/

Transistor: o pequeno notável

    O transistor pode ser empregado de muitas maneiras, mas basicamente ele desempenha duas funções: amplificação e chaveamento. No caso da amplificação, podemos fazer uma analogia com uma torneira: girando a torneira, podemos controlar o fluxo de água, tornando-o mais forte ou mais fraco. No caso do chaveamento, podemos imaginar o transistor como um interruptor de luz: ligando o interruptor, a luz se acende; desligando o interruptor, a luz se apaga. Da mesma forma que a torneira controla o fluxo de água, o transistor controla o fluxo de corrente elétrica. E da mesma forma que o interruptor “chaveia” (liga ou desliga) a luz, o transistor pode chavear corrente elétrica. A grande diferença, contudo, da torneira e do interruptor para o transistor é que nos dois primeiros o controle é feito pelas nossas mãos. Já no transistor, o controle da amplificação e do chaveamento é feito por corrente elétrica. Ou seja, no transistor temos corrente elétrica controlando corrente elétrica.

    Isso é importante por diversos motivos: em primeiro lugar, com o controle sendo feito por corrente elétrica, consegue-se num transistor uma velocidade de operação milhares de vezes mais rápida do que nossas mãos. Em segundo lugar, o transistor pode ser acoplado a outras fontes de sinal elétrico, como uma antena, um microfone, ou mesmo um outro transistor. Por fim, sendo controlado por corrente, o transistor pode funcionar como uma “chave eletrônica”, sem partes móveis, muito mais rápida e eficiente do que os antigos relês (chaves eletromecânicas).

    O transistor representou mais um salto na história da eletrônica. Sendo bem mais confiável, durável, barato e menor do que as válvulas (além de consumir pouquíssima energia e dissipar bem menos calor), tornou-se possível aperfeiçoar e reduzir consideravelmente de tamanho uma série de equipamentos eletrônicos, como aparelhos de rádio e televisão.

    Hoje, o número de aparelhos e equipamentos que possuem transistores é enorme. Telefones celulares, CD players, sistemas GPS, aparelhos de fax, copiadoras, scanners, câmeras de vídeo, caixas eletrônicos de bancos, equipamentos de ultrassom, airbags, satélites e muitos outros -- todos possuem transistores! Sem o transistor, com certeza o mundo seria bastante diferente.

Como funcionam os transistores
http://www.intel.com/education/transworks/INDEX.HTM

História do transistor no site da Lucent
http://www.lucent.com/minds/transistor/

Página da PBS sobre o transistor
http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dt47tr.html

Mister Transistor
http://ourworld.compuserve.com/homepages/Andrew_Wylie/
homepage.htm

Traduzindo o mundo analógico em informações digitais

    Boa parte da evolução tecnológica sempre caminhou no sentido de facilitar nossas vidas. Muitas máquinas e equipamentos, por exemplo, foram construídas para ampliar nossas capacidades de deslocamento e comunicação. Mas a interação do homem com a realidade está longe de ser simples. Em nossas tentativas de atuar sobre o mundo, temos que desenvolver representações da realidade. A manipulação de informação, por exemplo, requer um sistema de codificação. Foi o que fez o americano Samuel Morse, em 1837, quando inventou o telégrafo elétrico. A transmissão das mensagens (informação) se dava por meio de um código (o conhecido código Morse) que utilizava apenas dois símbolos (traços e pontos) para representar as letras do alfabeto.

    Com os computadores não é diferente. Para que possam processar informações foi preciso desenvolver um código, uma “linguagem” própria dos computadores. Esse código é o código binário que, assim como o código Morse, emprega dois elementos (o zero e o um, chamados “bits”) para representar toda a sorte de informações que um computador pode armazenar, processar e exibir.

    Pode-se dizer que a idéia de representar dados e realizar operações de transformação sobre eles utilizando para tanto um dispositivo físico surgiu há mais de cinco mil anos, no Oriente, com a invenção do ábaco. O ábaco era capaz de realizar operações aritméticas baseadas em métodos similares aos dos computadores modernos. Desde então, inúmeros mecanismos foram desenvolvidos com o objetivo de computar algum tipo de informação. Em 1805, Joseph-Marie Jacquard construiu uma máquina automática de tear capaz de criar desenhos bastante elaborados. Tais desenhos eram “codificados” em cartões perfurados que eram lidos pela máquina. Em 1932, Charles Babbage e Ada Lovelace conceberam um dos primeiros computadores programáveis da História, a Máquina Analítica, que nunca foi terminada. Em 1847, George Boole publicou seus primeiros trabalhos sobre lógica simbólica -- que mais tarde dariam origem à lógica e à aritmética binária (cuja essência é a resolução de problemas complicados por meio de operações simples).

    Em 1938, Claude Shannon adaptou a aritmética binária de Boole para a análise e descrição de circuitos. Nesses circuitos, a posição dos contatos dos relês comporta-se como uma variável booleana, que só pode assumir um de dois estados possíveis, neste caso, aberto ou fechado. Essa adaptação passou a ser conhecida como “álgebra de chaveamento” e os valores possíveis das variáveis, 0 ou 1, passaram a representar condições físicas: ligado ou desligado, com tensão alta ou com tensão baixa, aberto ou fechado, entre várias outras. Em sua tese de mestrado no MIT, Shannon escreveu: “Qualquer expressão composta pelas operações de soma, multiplicação e negação (inversão) representa explicitamente um circuito que contém apenas ligações em série e em paralelo.”

    Com a álgebra de chaveamento tornou-se possível projetar circuitos lógicos  isolados do mundo físico da eletrônica. São circuitos que existem como abstrações matemáticas, como associações de módulos lógicos funcionais que, por sua vez, são associações de portas lógicas simples. As portas lógicas são módulos básicos de circuitos que realizam as operações booleanas.
 

    A implementação física de circuitos lógicos tem passado por muitas transformações. No século passado, a engenharia desses mecanismos se restringia à mecânica. Era o caso dos teares de Jacquard e da Máquina Analítica de Babbage. A lógica através de engrenagens também é antiga. Pascal e Leibniz construíram calculadores mecânicas ainda no século 17. No início deste século, a grande demanda pelos circuitos lógicos se dava na construção de centrais telefônicas. Nessa fase, a melhor opção técnica disponível eram os relês.

    Um relê é um dispositivo eletromecânico composto por uma bobina e contatos. A bobina é um solenóide que, ao ser percorrido por uma corrente elétrica de amplitude adequada, energiza-se e movimenta os contatos. Pela interligação dos contatos, pode-se realizar as mais diversas funções lógicas: associando-se contatos em série, realiza-se a operação “and”, e em paralelo, a operação “or”. Na década de 30, surgiram os primeiros computadores eletromecânicos, como o Mark I e Mark II da Universidade Harvard. Com a invenção das válvulas, surgiu uma alternativa melhor para a realização de operações lógicas, e ao longo da década de 40, diversos computadores eletrônicos empregando válvulas foram construídos.

    Mas foi o transistor que veio revolucionar a eletrônica digital. Finalmente tinha-se um dispositivo barato, confiável e de tamanho reduzido capaz de realizar operações de chaveamento. Em outras palavras, era possível, com o transistor, implementar fisicamente circuitos lógicos digitais cada vez mais complexos e interessantes. Em 1955, a IBM introduziu sua primeira calculadora transistorizada, contendo mais de dois mil transistores. A miniaturização da eletrônica não parou e mais um salto tecnológico se sucedeu com a invenção dos circuitos integrados (microchips).

Sinal analógico (em cima) e seu correspondente sinal digital

    Um microchip nada mais é do que um aglomerado de transistores (além de outros componentes eletrônicos menos importantes). Estão organizados de tal forma que a saída de um transistor controla outros transistores, que por sua vez controlam outros e assim por diante. Podem ser necessários diversos transistores interconectados para que se consiga realizar operações tão elementares como adicionar um mais um. Mas coloque-se transistores suficientes juntos de maneira apropriada e eles serão capazes de realizar operações complexas com grande velocidade (podem chavear milhões de vezes por segundo ou mais).

    Graças às técnicas como a fotolitografia e o desenho assistido por computador (CAD), milhões de transistores e outros componentes eletrônicos, e toda sua interligação, podem ser arranjados em um circuito integrado do tamanho de um pequeno selo. Nessa escala, o custo de um único transistor é praticamente nulo -- cerca de centenas de milionésimos de centavo cada.

    Com as antigas válvulas em miniatura, o maior número de dispositivos que se conseguia ligar em circuitos eletrônicos correspondia a uma densidade média de 1 elemento por cm3. Com o uso de dispositivos semicondutores, conseguiu-se colocar uma média de até 3 elementos por cm3. Atualmente, com o uso dos circuitos integrados, foi possível atingir a fantástica cifra de 30.000 elementos por cm3. Sem esse desenvolvimento tecnológico, que permitiu tal miniaturização dos circuitos eletrônicos, um moderno computador teria dimensões tão exageradas que sua construção seria inviável.

Biografia de George Boole
http://www.treasure-troves.com/bios/Boole.html

Shannon Day at Bell Labs
http://cm.bell-labs.com/cm/ms/what/shannonday/

Um mundo de microchips

    Hoje os microchips estão por todo o lado. Tornaram-se uma “tecnologia invisível” que é parte de quase todo equipamento eletrônico. Não é possível ignorá-los. Pelo contrário, devemos entendê-los. Não podemos considerá-los “caixas pretas”, mágicas, que funcionam misteriosamente. Devemos compreender minimamente seu funcionamento, e saber que não existe mistério nenhum: o microchip é apenas mais uma das maravilhosas criações humanas.

Páginas da revista Time sobre o microchip