Circuitos integrados

por Chris Woodford. Última actualização: 30 de Janeiro de 2020.

Já ouviu falar de um computador da década de 1940 chamado ENIAC? Apesar do seu tamanho gigantesco, era mil vezes menos potente que um computador portátil moderno – uma máquina cerca de 100 vezes mais pequena.

Se a história da computação soa como um truque de magia – comprimindo cada vez mais potência em cada vez menos espaço – é! O que o tornou possível foi a invenção do circuito integrado (CI) em 1958. É uma forma limpa de abarrotar centenas, milhares, milhões, ou mesmo milhares de milhões de componentes electrónicos em pequenos chips de silício mais nobres do que uma unha. Vejamos mais de perto os circuitos integrados e o seu funcionamento!

Foto: Um circuito integrado a partir do exterior. Este vem numa forma conveniente chamada pacote de dupla entrada em linha (DIP), que consiste numa caixa exterior de plástico preto ou cerâmica com pinos de metal em cada lado para ligação a uma placa de circuito electrónico maior (a coisa castanha que se pode ver no fundo). O circuito real que faz o trabalho é um pequeno chip embutido dentro do DIP; pode ver como está ligado aos pinos exteriores do DIP na foto seguinte.

O que é um circuito integrado?

P>Foto: Um circuito integrado a partir do seu interior. Se conseguisse levantar a tampa de um microchip típico como o da foto superior (e não consegue acreditar muito facilmente em mim, já tentei!), isto é o que encontrará no interior. O circuito integrado é o quadrado minúsculo no centro. As ligações acabam a partir dele para os terminais (pinos ou pernas metálicas) à volta da borda. Quando se liga algo a um destes terminais, está-se de facto a ligar ao próprio circuito. É quase possível ver o padrão dos componentes electrónicos na superfície do próprio chip. Foto por cortesia do NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Abra uma televisão ou um rádio e verá que é construído à volta de uma placa de circuito impresso (PCB): um pouco como um mapa de rua eléctrico com pequenos componentes electrónicos (tais como resistências e condensadores) no lugar dos edifícios e ligações de cobre impressas que os ligam como ruas de metal em miniatura. As placas de circuito são finas em pequenas placas como esta, mas se tentar usar a mesma técnica para construir uma máquina electrónica complexa, tal como um computador, rapidamente se torna um obstáculo. Mesmo o computador mais simples precisa de oito comutadores electrónicos para armazenar um único byte (carácter) de informação. Assim, se quiser construir um computador com memória suficiente para armazenar este parágrafo, está a olhar para cerca de 750 caracteres vezes 8 ou cerca de 6000 comutadores – por um único parágrafo! Se você se encher de interruptores como tinham nos tubos de vácuo da ENIAC, do tamanho de um polegar adulto, em breve acabará com uma máquina grande, grande e ávida de energia, que precisa da sua própria mini central eléctrica para a manter em funcionamento.

Quando três físicos americanos inventaram os transístores em 1947, as coisas melhoraram um pouco. Os transístores eram uma fracção do tamanho de tubos de vácuo e relés (os interruptores electromagnéticos que tinham começado a substituir os tubos de vácuo em meados dos anos 40), utilizavam muito menos energia, e eram muito mais fiáveis. Mas havia ainda o problema de ligar todos esses transístores em circuitos complexos. Mesmo depois da invenção dos transístores, os computadores ainda eram uma massa emaranhada de fios.

Foto: Os circuitos integrados cabem em placas de circuitos impressos (PCBs) como o verde que se pode ver aqui. Observe as pistas finas que ligam as “pernas” (terminais) de dois circuitos integrados diferentes. Outras pistas ligam os circuitos integrados a componentes electrónicos convencionais, tais como resistências e condensadores. Pode pensar nas pistas como “ruas” que fazem caminhos entre “edifícios” onde são feitas coisas úteis (os próprios componentes). Há também uma versão miniaturizada de uma placa de circuito dentro de um circuito integrado: as pistas são criadas em forma microscópica na superfície de uma pastilha de silício.

Circuitos integrados alteraram tudo isso. A ideia básica era tomar um circuito completo, com todos os seus muitos componentes e as ligações entre eles, e recriar tudo de forma microscopicamente minúscula na superfície de uma peça de silício. Era uma ideia espantosamente inteligente e é possível todo o tipo de gadgets “microelectrónicos” que agora tomamos, desde relógios digitais e calculadoras de bolso a rochedos e mísseis com navegação por satélite incorporada.

Lei de Moore

Os circuitos integrados revolucionaram a electrónica e a computação durante as décadas de 1960 e 1970. Primeiro,engenheiros estavam a colocar dezenas de componentes num chip no que foi chamado de Integração de Pequena Escala (SSI). Logo a seguir, a Integração de Média Escala (MSI), com centenas de componentes numa área do mesmo tamanho. Previsivelmente, por volta de 1970, a Integração de Grande Escala (LSI) trouxe milhares de componentes, a Integração de Muito Grande Escala (VLSI) deu-nos dezenas de milhares, e a Integração de Ultra Grande Escala (ULSI) milhões – e todos em chips não maiores do que eram antes. Em 1965, Gordon Moore da Intel Company, um dos principais fabricantes de chips, notou que o número de componentes de um chip duplicava aproximadamente a cada um para dois anos. A Lei de Moore, como é conhecida, tem continuado a ser aplicada desde então. Entrevistado pelo The New York Times 50 anos mais tarde, em 2015, Moore revelou o seu espanto por a lei ter continuado a ser aplicada: “A previsão original era de olhar para 10 anos, o que eu pensava ser um esticão. Isto passava de cerca de 60 elementos num circuito integrado para 60.000 – uma extrapolação mil vezes maior ao longo de 10 anos. Pensei que isso era bastante selvagem. O facto de algo semelhante estar a acontecer durante 50 anos é verdadeiramente espantoso”

Chart: Lei de Moore: O número de transístores embalados em microchips duplicou aproximadamente todos os anos ou dois nas últimas cinco décadas – por outras palavras, cresceu exponencialmente. Se traçar o número de transístores (eixo y) contra o ano de lançamento (eixo x) para alguns microchips comuns das últimas décadas (estrelas amarelas), obterá uma curva exponencial; traçando o logaritmo em vez disso, obterá esta linha recta. Note-se que o eixo vertical (y) deste gráfico é logarítmico (devido ao software gráfico OpenOffice que utilizei) o eixo horizontal (x) é apenas vagamente linear.Fonte: Traçado usando dados da Transistor Count, Wikipedia, verificado em relação a outras fontes.