Chip japonês de 25 nanômetros melhora quanto menor fica e pode transformar baterias de celulares e dispositivos de IA

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Ciência de Tóquio desenvolveu uma célula de memória que mede apenas 25 nanômetros de largura — menos de um centésimo da espessura de um fio de cabelo humano.

O que distingue o feito de avanços anteriores é que o dispositivo não apenas funciona nessa escala extrema, mas se torna mais eficiente à medida que encolhe. Isso contraria décadas de limitações práticas na engenharia de semicondutores.

O professor Yutaka Majima, que liderou a pesquisa, aponta que a descoberta abre caminho para resolver um dos principais gargalos da eletrônica portátil: o calor excessivo e o consumo acelerado de bateria. Ao reduzir drasticamente a energia necessária para gravar e ler dados, o novo chip pode prolongar a autonomia de relógios inteligentes, fones sem fio e módulos de inteligência artificial embarcada.

O princípio físico por trás da invenção é o túnel ferroelétrico, conceito teórico proposto em 1971 que permaneceu sem aplicação prática por décadas. Os materiais disponíveis perdiam desempenho ao ser afinados, bloqueando o avanço.

Essa limitação começou a ser superada quando pesquisadores descobriram que o óxido de háfnio retém polarização elétrica estável mesmo em filmes ultrafinos. Essa é uma propriedade rara entre os materiais compatíveis com a fabricação industrial de chips.

Majima e sua equipe foram além ao aquecer os eletrodos de forma controlada, fazendo-os assumir contorno semicircular e se aproximar da estrutura de um único cristal dentro da célula de memória. Essa geometria reduz as fronteiras entre grãos cristalinos — as chamadas correntes de fuga, pelas quais elétrons escapam e dissipam energia sem realizar trabalho útil.

A decisão mais ousada da equipe foi encolher o componente além do limite que a literatura técnica considerava viável, em vez de tentar compensar os defeitos com camadas adicionais de material. Com a área total do dispositivo tão reduzida, a superfície sujeita a imperfeições ficou pequena demais para comprometer o funcionamento.

O resultado foi confirmado em centenas de ciclos consecutivos de escrita e leitura sem degradação mensurável. Conforme detalhado pelo ScienceDaily, os testes demonstraram que a densidade de corrente necessária para alternar entre os estados 0 e 1 caiu, enquanto a diferença de condutância entre os dois estados aumentou.

Em termos práticos, o chip passou a distinguir bits com mais precisão e menos consumo energético simultaneamente. Esse resultado tem implicação direta nos esforços para embarcar inteligência artificial em objetos de pequeno porte, de pulseiras esportivas a sensores agrícolas remotos.

Grande parte da eletrônica de consumo atual gasta mais energia transferindo dados entre processador e memória do que executando cálculos. A nova célula promete reduzir esse gargalo de forma significativa.

O óxido de háfnio já integra as linhas de produção de semicondutores de última geração, utilizado como isolante em transistores FinFET por fabricantes asiáticos, europeus e norte-americanos. Isso significa que, se o protótipo japonês avançar para lotes piloto, a integração poderia ocorrer sem a necessidade de reconstruir fábricas bilionárias.

O avanço pressiona fabricantes que investem em memórias não voláteis de alto custo, como ReRAM e MRAM, para acelerar inferências de inteligência artificial em dispositivos locais. Se a alternativa baseada em óxido de háfnio comprovar durabilidade industrial, poderá entregar desempenho equivalente por fração do consumo elétrico.

Os resultados chegam num momento em que as emissões de carbono dos centros de dados crescem e se tornam alvo de regulações na União Europeia e em países asiáticos. Reduzir o consumo energético na borda da rede ajuda a conter a pegada ambiental sem sacrificar a expansão dos serviços digitais.

Majima reconhece que ainda faltam etapas antes da comercialização, incluindo testes de resistência a variações de temperatura, radiação ionizante e compatibilidade com litografias de dois nanômetros já em uso nas fundições mais avançadas. Para o cientista, o valor imediato da pesquisa está em demonstrar que empurrar o componente além do que os manuais prescreviam revelou propriedades novas.

Tóquio, que busca revitalizar sua indústria eletrônica após duas décadas de perda de participação de mercado para Coreia do Sul e Taiwan, enxerga no avanço uma oportunidade estratégica de reposicionamento. Empresas de design de chips de diversas nações acompanham o estudo com atenção, avaliando parcerias que possam diversificar fornecedores e ampliar o acesso soberano a tecnologias de ponta.