Os chips responsáveis pelo funcionamento de sistemas de inteligência artificial, smartphones e computadores são produzidos com o auxílio de algumas das máquinas mais complexas já criadas pela engenharia. Por trás dessa tecnologia presente no cotidiano existe um trabalho em escala microscópica. Fabricados pela holandesa ASML, os equipamentos de litografia ultravioleta extrema (EUV, na sigla em inglês) empregam feixes de luz com comprimento de onda de apenas 13,5 nanômetros para imprimir circuitos minúsculos em pastilhas de silício. Esse método possibilita reunir bilhões de transistores em um espaço reduzido, o que amplia a capacidade de processamento e a eficiência energética dos dispositivos.
A complexidade desses equipamentos é tamanha que a ASML é, hoje, a única fabricante mundial de máquinas comerciais de litografia EUV. Seus sistemas são usados por gigantes do setor de semicondutores, como TSMC e Intel, na produção de chips avançados que equipam aparelhos eletrônicos e sustentam aplicações de inteligência artificial.
A empresa anunciou recentemente um avanço capaz de elevar em até 50% a capacidade de produção dessas máquinas até o fim da década. Pesquisadores conseguiram aumentar a potência da fonte de luz EUV de 600 para 1.000 watts, o que permite às fábricas processar mais pastilhas de silício por hora e reduzir o custo de fabricação de cada chip.
Como funciona a fabricação dos chips?
O processo de produção começa com uma pastilha circular de silício, conhecida como wafer. Sua superfície recebe uma camada de produtos químicos fotossensíveis, os fotorresistores, que reagem à exposição à luz.
A partir daí, entra em ação a máquina de litografia. O equipamento projeta luz ultravioleta extrema sobre a superfície da pastilha, reproduzindo padrões extremamente detalhados que formam os circuitos eletrônicos do microprocessador. O procedimento lembra o de uma fotografia: a luz serve como instrumento para transferir uma imagem microscópica ao material.
A tecnologia EUV opera com comprimento de onda de 13,5 nanômetros, próximo à faixa dos raios X. Para comparação, um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro. Essa característica possibilita imprimir estruturas muito menores do que as obtidas pelas gerações anteriores de equipamentos de litografia.
Cada chip pode reunir bilhões de transistores, componentes encarregados de controlar o fluxo de sinais elétricos e executar operações. Quanto menores eles são, maior é a possibilidade de concentrar componentes em uma mesma área, o que aumenta a capacidade de processamento e reduz o consumo de energia.
A produção não depende exclusivamente da tecnologia EUV. As máquinas também usam sistemas de litografia ultravioleta profunda (DUV, na sigla em inglês), responsáveis pela impressão de outras camadas dos circuitos. Os dois métodos trabalham em conjunto durante a fabricação dos semicondutores.
Como a máquina produz luz ultravioleta extrema?
Um dos aspectos mais impressionantes dos equipamentos da ASML está na forma como a luz EUV é gerada. Como esse tipo de radiação não pode ser produzido simplesmente por uma lâmpada convencional, a empresa desenvolveu um sistema que utiliza pequenas gotas de estanho derretido e lasers de alta potência.
O processo ocorre dentro de uma câmara especial. Primeiro, um jato libera minúsculas gotas de estanho líquido, atingidas por disparos de um laser de dióxido de carbono. A energia transforma o material em plasma, um estado extremamente quente da matéria no qual os átomos ficam ionizados e passam a emitir luz ultravioleta extrema.
A radiação produzida é então capturada por um conjunto de espelhos de altíssima precisão, fornecidos pela alemã Carl Zeiss. Esses componentes ópticos direcionam a luz até o sistema responsável por projetar os padrões dos circuitos sobre a pastilha de silício.
A temperatura alcançada pelas gotas de estanho durante o processo é superior à da superfície do Sol. Todo o procedimento precisa ser controlado com precisão para garantir que a luz tenha as características necessárias à impressão dos circuitos.
Avanço pode aumentar produção em 50%
A descoberta anunciada pela ASML envolve mudanças justamente na geração da luz EUV. Os pesquisadores conseguiram dobrar a quantidade de gotas de estanho processadas, chegando a aproximadamente 100 mil por segundo. Também passaram a utilizar duas rajadas menores de laser para transformar o material em plasma, em vez de um único disparo, como ocorre nos equipamentos atuais.
A consequência prática é a possibilidade de reduzir o tempo de exposição das pastilhas à luz. Com isso, cada máquina poderá processar mais unidades no mesmo intervalo de tempo.
Segundo Teun Van Gogh, vice-presidente executivo da linha NXE de equipamentos EUV da companhia, a expectativa é que os clientes consigam processar aproximadamente 330 pastilhas de silício por hora até o fim da década. Atualmente, a capacidade é de cerca de 220 por hora.
Dependendo do tamanho dos chips, cada pastilha pode conter dezenas ou até milhares de dispositivos. O aumento de produtividade, portanto, pode representar um avanço significativo para a indústria de semicondutores.
Michael Purvis, diretor de tecnologia da ASML, afirmou que o resultado não é apenas uma demonstração temporária de potência, mas um sistema capaz de operar dentro dos requisitos exigidos pelos clientes.
A companhia também avalia que a tecnologia poderá avançar ainda mais. A expectativa é alcançar fontes de luz com potência de 1.500 watts e, posteriormente, chegar a 2.000 watts.
Máquinas ainda mais avançadas e chips de 2 nanômetros
A ASML também desenvolve uma nova geração de equipamentos EUV, identificada pela sigla EXE. Os sistemas utilizam uma tecnologia chamada High NA, que significa alta abertura numérica, característica relacionada à capacidade do equipamento de capturar e focalizar a luz.
Enquanto os equipamentos NXE trabalham com abertura numérica de 0,33, os novos EXE chegam a 0,55. A mudança permite aumentar a resolução da impressão dos circuitos: os novos sistemas podem reproduzir estruturas de até 8 nanômetros, contra 13 nanômetros nos equipamentos da geração anterior.
A plataforma EXE foi desenvolvida para apoiar a fabricação em larga escala de chips ainda mais avançados, começando pelos chamados nós de 2 nanômetros, tanto em processadores lógicos quanto em futuras gerações de memória.
Os equipamentos NXE, por sua vez, já são utilizados na produção de chips das gerações de 7, 5 e 3 nanômetros. A combinação das duas plataformas deverá permitir que a indústria continue reduzindo o tamanho dos componentes e aumentando a densidade dos circuitos.
Por que essas máquinas são tão importantes para a inteligência artificial?
O desenvolvimento de sistemas de inteligência artificial depende de processadores capazes de executar uma quantidade gigantesca de operações em pouco tempo. Quanto maior a capacidade de processamento dos chips, maior é o potencial para treinar modelos complexos e executar aplicações que exigem grande volume de cálculos.
É nesse contexto que a litografia EUV se tornou estratégica. A tecnologia permite fabricar componentes cada vez menores e mais eficientes, fundamentais para os processadores utilizados em centros de dados, computadores e outros equipamentos que sustentam serviços de inteligência artificial.
A fabricação dessas máquinas, entretanto, exigiu décadas de pesquisa. Segundo a ASML, a empresa investiu mais de 6 bilhões de euros em desenvolvimento de tecnologia EUV ao longo de 17 anos. Também adquiriu a companhia Cymer, especializada em fontes de luz, para acelerar o desenvolvimento dos equipamentos.
A complexidade tecnológica tornou os sistemas um elemento estratégico da indústria mundial. Restrições impostas pelos Estados Unidos e por aliados à exportação dessas máquinas para a China contribuíram para estimular o país asiático a desenvolver equipamentos próprios. Nos Estados Unidos, empresas como Substrate e xLight também buscam criar alternativas à tecnologia holandesa.
O avanço da ASML, portanto, não representa apenas a possibilidade de fabricar mais chips em menos tempo. Ele também reforça a importância de uma tecnologia essencial para a próxima geração de computadores, dispositivos eletrônicos e sistemas de inteligência artificial.
