Avanço quântico promete chips mais rápidos e eficientes

O fim dos transistores pode estar mais próximo. Pesquisadores da Universidade de Tóio apresentaram um dispositivo que usa o spin de elétrons para representar zeros e uns, com operação de 40 picossegundos e consumo muito menor que as tecnologias atuais. O estudo foi publicado na Science.

O laboratório trabalha com Mn3Sn, um antiferromagneto, acoplado a uma camada de tântalo. Pulsos elétricos ultracurtos invertendo o spin por torque spin-órbita gravam e leem informações sem depender de chaveamento elétrico tradicional.

O que foi apresentado é um elemento de chaveamento quântico não volátil, capaz de operar em menos de 50 picossegundos por ciclo. A estrutura economiza energia ao reduzir a necessidade de dissipação térmica típica de chips modernos.

Por que o transistor chega ao limite

Transistores formam a base de quase toda a computação atual, abrindo ou bloqueando passagem de corrente para codificar bits. Chips com bilhões de transistores, como o Apple M4, exemplificam esse uso massivo de chaves elétricas. A corrida envolve aumentar velocidade sem gerar calor excessivo.

O calor é o principal empecilho: acelerar o chaveamento eleva a dissipação, consumindo energia que vira calor. Com velocidades maiores, esse efeito se torna mais intenso, limitando a escalabilidade das arquiteturas atuais.

Como funciona o novo dispositivo

Ao invés de abrir circuito com tensão, o dispositivo utiliza o spin para codificar estados. O antiferromagneto Mn3Sn, junto a uma camada de tântalo, recebe pulsos que invertam o spin via torque spin-órbita, processo já utilizado em memórias MRAM. A diferença está na duração do pulso.

O pulso elétrico utilizado dura apenas 40 picossegundos, frente aos nanossegundos exigidos por abordagens convencionais. Em comparação, a diferença de escala chega a várias ordens de grandeza.

Memória não volátil e durabilidade

A vantagem estrutural do novo conceito é não volatilidade: o estado de spin permanece mesmo sem energia. Memória DRAM, em contraste, requer alimentação constante para manter dados. Além disso, o dispositivo mostrou estabilidade após 100 bilhões de transições, muito acima do que se observa com calor em chips atuais.

Essa combinação aproxima o componente de aplicações que unem memória e processamento, em arquitetura de computação sem-Von Neumann, tema de interesse para a indústria diante do gargalo entre CPU e RAM.

Comparativo com tecnologias atuais

• Tempo de chaveamento: transistor ~1 nanossegundo; Mn3Sn, 40 picossegundos.
• Escala de tempo: nanossegundo vs pico (25x mais rápido).
• Geração de calor: alto em altas frequências; reduzida no novo método.
• Endurance: transistores variam, com degradação por calor; o dispositivo mostra 100 bilhões de transições estáveis.
• Mecanismo: tensão controla corrente; torque spin-órbita inverte o spin.

Aplicações e perspectivas para o setor

O principal ganho não é apenas a velocidade, mas a perspectiva de inverter estados magnéticos sem depender de aquecimento extremo. O estudo aponta potencial para reduzir gargalos de IA em data centers e facilita a integração com sinais ópticos, abrindo caminho para computação fotônica.

Liderada por Hanshen Tsai, Takuya Matsuda e Satoru Nakatsuji, a pesquisa envolve o Trans-scale Quantum Science Institute da Universidade de Tóquio, com colaboração de RIKEN, Osaka e Johns Hopkins. O próximo passo envolve engenharia de processos e integração com transistores CMOS.

O caminho até o consumidor

Os autores destacam que a pesquisa é uma prova de conceito. Ainda não há garantia de fabricação em escala comercial, integração com tecnologias CMOS ou produção em milhões de unidades por wafer. Desafios de compatibilidade térmica e rendimento precisam ser superados.

Com Mn3Sn como elemento central, o desafio técnico envolve adaptar o material às linhas de produção existentes. A pesquisa indica que a transição entre academia e produto pode exigir uma década de desenvolvimento, mesmo com avanços promissores.