Pesquisadores afirmam ter desenvolvido o primeiro chip funcional baseado em grafeno

• Em meio ao aumento das limitações do silício em velocidade, aquecimento e miniaturização, uma equipe da Georgia Tech afirma que um semicondutor funcional baseado em grafeno pode ser uma alternativa aos computadores atuais e aos materiais de futuros computadores quânticos
• O ponto central é o grafeno epitaxial ligado ao silicon carbide (SiC), que a equipe chama de SEC ou epigraphene, e que teria mostrado mobilidade eletrônica superior à do silício convencional
• O método de fabricação consiste em aquecer o SiC a mais de 1.000°C para evaporar o silício da superfície, e os custos de equipamento e materiais do processo foram apresentados como cerca de US$ 10 por chip, US$ 1 pelo crucible e US$ 10 pelo quartz tube
• Dispositivos eletrônicos de grafeno anteriores tinham dificuldade para desligar completamente transistores por causa da ausência de bandgap, mas a equipe afirma que seu SEC permite o bloqueio completo exigido pela eletrônica digital
• Em vez de simplesmente encaixar a tecnologia em linhas de silício existentes, a equipe mira um paradigma pós-silício baseado em SiC, e o grau real de maturidade dependerá muito do esforço de desenvolvimento investido daqui para frente

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A proposta de semicondutor baseado em grafeno da Georgia Tech

• Uma equipe da Georgia Tech afirma ter desenvolvido o primeiro semicondutor funcional baseado em grafeno do mundo
• O estudo foi publicado em 3 de janeiro na Nature e foi liderado por Walt de Heer, professor de física da Georgia Tech
• O material central é o grafeno epitaxial, uma estrutura cristalina de carbono quimicamente ligada ao silicon carbide (SiC)
  • A equipe chama esse material semicondutor de semiconducting epitaxial graphene, SEC, ou epigraphene
  • Segundo os pesquisadores, o SEC tem mobilidade eletrônica maior que a do silício convencional, permitindo que elétrons se movam com resistência muito menor

Método de fabricação e custos

• O método de fabricação é uma adaptação de uma técnica simples conhecida há mais de 50 anos
• Ao aquecer o SiC a mais de 1.000°C, o silício da superfície evapora e a superfície rica em carbono se transforma em grafeno
• Na prática, o processo é realizado colocando duas pilhas de chips de SiC em um graphite crucible dentro de um argon quartz tube
  • Uma corrente de alta frequência é aplicada a uma copper coil ao redor do quartz tube
  • O graphite crucible é aquecido por indução
  • O tempo de processo é de cerca de 1 hora
• O SEC produzido dessa forma é intrinsecamente neutro em carga e, quando exposto ao ar, é naturalmente dopado por oxigênio
  • A dopagem por oxigênio pode ser facilmente removida com aquecimento em torno de 200°C no vácuo
• De acordo com de Heer, os custos são de cerca de US$ 10 por chip usado, US$ 1 pelo crucible e US$ 10 pelo quartz tube

Diferença em relação a abordagens anteriores com semicondutores de grafeno

• Desde 2008, já se sabia que aquecer grafeno com SiC no vácuo poderia fazê-lo se comportar como semicondutor
• A avaliação é que o método de de Heer se diferencia pela formação do bandgap
  • Quando o método modificado é aplicado corretamente, as ligações se formam de maneira muito regular
  • O artigo afirma que o material apresentou alta mobilidade
• Dispositivos eletrônicos de grafeno anteriores tinham dificuldade para ligar e desligar transistores por causa da ausência de bandgap
• Pesquisas anteriores para transformar grafeno em semicondutor vêm sendo realizadas há cerca de 10 anos e incluem métodos que buscam criar um bandgap por ligação química de átomos ao grafeno
  • De Heer considera que métodos anteriores produziram grafeno semicondutor com baixa mobilidade devido a problemas estruturais químicos ou mecânicos

Limitações das abordagens com graphene ribbon e wrinkle

• graphene ribbon era considerado uma abordagem promissora, mas só apresenta propriedades semicondutoras quando tem uma largura muito específica e uma armchair edge
  • Essa condição é inversamente proporcional à largura da ribbon
  • A ribbon é mais adequada para fabricação por métodos químicos e, no fim, precisa ser posicionada com precisão no substrato e interconectada com metallic wire
• De Heer afirma que a tecnologia de graphene nanoribbon é, em princípio, muito semelhante à tecnologia de semiconducting carbon-nanotube
  • Ele avalia que a tecnologia de carbon-nanotube ainda não teve sucesso mesmo após 30 anos de pesquisa com nanotube
• Também existe uma abordagem que cria um bandgap introduzindo wrinkle no grafeno
  • A deformação mecânica pode abrir um bandgap
  • Já foi demonstrado um bandgap de até 0,2 electron volts
  • O bandgap do silício é de 1,12 eV, muito maior
  • Por causa do pequeno bandgap, a aplicabilidade ainda é incerta, e a falta de dados sobre mobilidade continua sendo um problema

Vantagens técnicas que o SEC diz oferecer

• A equipe afirma ter criado SEC semicondutor de grande área sobre terraços de SiC sem defeitos e atomicamente planos
• O SiC é avaliado como um material eletrônico altamente desenvolvido e facilmente disponível, totalmente compatível com processos de microelectronics existentes
• O SEC pode viabilizar transistores operando em frequências de terahertz 10 vezes mais rápidas que transistores tradicionais baseados em silício
• A principal diferença em relação ao graphene field-effect transistor (GFET) comercial é o uso, ou não, de grafeno semicondutor
  • Os GFETs existentes não usam grafeno semicondutor, por isso não são adequados para eletrônica digital, que exige transistor shutdown completo
  • A equipe acredita que seu SEC permite bloqueio total e atende às exigências rigorosas da eletrônica digital

Limites do silício e potencial para computação quântica

• Semicondutores são componentes centrais de todos os dispositivos eletrônicos e combinam propriedades de condutores e isolantes
• O silício, material semicondutor dominante hoje, está se aproximando de seus limites em velocidade, aquecimento e miniaturização
• De Heer acredita que o avanço rápido da computação vem desacelerando por causa dessas restrições do silício
• O grafeno é uma única camada de átomos de carbono organizados em uma rede hexagonal e é considerado um condutor superior ao silício, favorecendo um transporte eletrônico mais eficiente
• A equipe acredita que semicondutores baseados em grafeno podem ter papel importante na computação quântica
  • Em temperaturas muito baixas, quando o grafeno é usado em dispositivos, os elétrons exibem propriedades ondulatórias quânticas semelhantes às observadas na luz
  • De Heer diz que a graphene electronics pode explorar propriedades ondulatórias quânticas de elétrons e holes que a silicon electronics não consegue acessar
• Ainda assim, mais pesquisa será necessária para saber se semicondutores baseados em grafeno podem superar a atual tecnologia superconducting usada em computadores quânticos avançados

Direção de desenvolvimento e desafios restantes

• A equipe da Georgia Tech não imagina inserir semicondutores baseados em grafeno em linhas padrão de silício ou de compound semiconductor
• O objetivo é avançar para um paradigma pós-silício usando SiC
• A equipe está desenvolvendo métodos para proteção e maior compatibilidade com linhas de semicondutores existentes, incluindo o revestimento do SEC com boron nitride
• De Heer acredita que o desenvolvimento dessa tecnologia levará tempo
  • Ele comparou este resultado ao primeiro voo de 100 metros dos irmãos Wright
  • O progresso futuro dependerá principalmente de quanto trabalho de desenvolvimento será dedicado a ela

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Comentários do Hacker News

• Acho que isso enterrou um pouco o ponto principal. No fim aparece: “Os GFETs existentes (transistores de grafeno) não usam grafeno semicondutor, o que os torna inadequados para circuitos eletrônicos digitais, nos quais é necessário desligar completamente o transistor. [...] O material SEC desenvolvido pela equipe permite corte completo, atendendo aos requisitos rigorosos da eletrônica digital”
  Pelo que eu tinha ouvido antes, esse era justamente o problema dos transistores de grafeno. Eles têm resposta não linear, mas não conseguem interromper o fluxo de corrente, então não servem para lógica digital e só são úteis em circuitos analógicos. Faz um bom tempo que li sobre isso, então talvez alguém já tenha resolvido

  • Parece que isso está falando do problema do bandgap
    Tem uma boa explicação aqui: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
    Resumindo a parte relevante: o GFET é um transistor rápido e eficiente, mas não tem bandgap. Sem bandgap, a banda de valência e a banda de condução se encontram em 0 volt, fazendo o grafeno se comportar como um metal. Em semicondutores como o silício, o intervalo entre essas duas bandas faz o material agir como isolante em condições normais
    Normalmente, os elétrons precisam de energia extra para passar da banda de valência para a de condução, e nos FETs a tensão de polarização permite a passagem de corrente por uma banda que, sem essa polarização, se comporta como isolante. Mas como o GFET não tem bandgap, é difícil desligar o transistor, e como ele não pode ser desligado por completo, a razão entre corrente ligada/desligada fica em torno de 5, o que é baixo para operações lógicas. Por isso ele é complicado para circuitos digitais, mas em circuitos analógicos isso é menos problemático, então serve bem para amplificadores, circuitos de sinal misto etc.
    Vários grupos de pesquisa estão tentando resolver esse problema do bandgap com abordagens como resistência negativa e técnicas de fabricação por síntese bottom-up
  • Se for um transistor meio analógico, talvez seja bem interessante para cálculos de IA. Coisas como multiplicação de matrizes, sigmoide e tanh
  • É disso que o artigo estava falando em relação ao bandgap. Ele existe, mas é muito instável

• Tem uma frase dizendo: “O resultado foi um transistor que oferece velocidade 10 vezes maior do que os transistores de silício usados nos chips atuais e pode operar em frequências de terahertz”, mas não entendi por que 10 vezes
  Se estamos em GHz de um dígito, terahertz não deveria ser algo como 100 vezes mais rápido?

  • A frequência de clock realmente está na faixa de GHz de um dígito. Mas os sinais digitais precisam se propagar por várias camadas de portas lógicas, então o transistor em si precisa comutar bem mais rápido
    Pelo que dá para ver, o artigo não deixa claro se essa velocidade em “terahertz” se refere à frequência de comutação ou à largura de banda de ganho (fT). Mesmo hoje já é perfeitamente possível ter transistores com fT de centenas de gigahertz
  • A velocidade de clock dos computadores digitais fica em GHz de um dígito, mas em circuitos analógicos já dá para chegar a cerca de 100GHz com silício. Por exemplo, em chips de radar automotivo e sistemas de comunicação
    Aqui essa história de THz parece estar ligada a circuitos analógicos, e o sentido provavelmente é que essa nova tecnologia chega a algo em torno de 10 vezes isso. Se quiser entender melhor, vale procurar sobre Fmax e Ft de transistores
  • Para o chip como um todo, sim, fica em GHz de um dígito, mas isso não vale para um transistor individual
  • Não sou engenheiro eletricista, mas é bem provável que os transistores atuais também consigam operar em clocks muito mais altos do que os chips atuais
    O problema é que, quando você os integra de forma densa, tudo esquenta demais, então o escalonamento de Dennard não consegue chegar ao limite dos transistores individuais
  • A frequência no nível de um transistor individual e no nível do chip são coisas diferentes. Cada etapa de clock envolve várias camadas de transistores

• O processo de fabricação parece bem amigável perto do desastre ecológico localizado que é a produção de silício
  Mas competir com o ecossistema do silício, que evoluiu ao longo de meio século, é realmente muito difícil. Hoje em dia também tem o fato de que muitos talentos de STEM acabam sendo atraídos para software…

  • Isso é só uma escolha racional. É difícil ganhar um bom dinheiro em empresa de semicondutores, e a área é estreita, então com sorte você acaba preso às vontades de uma ou duas empresas da sua região. Se o empregador te tratar mal, você não pode simplesmente sair e abrir seu próprio negócio de fabricação de chips
    Software é mais democratizado e oferece uma chance muito maior de aumentar o patrimônio da família. O problema é que órgãos reguladores corruptos fazem o possível para chutar a escada que permitiria ao trabalhador seguir o próprio caminho. Por exemplo, a mudança na lei britânica do IR35 restringiu bastante a operação de pequenos negócios baseados em serviços
  • Quando chegar a hora de escalar e comercializar, esse pesadelo vai voltar
    A triste realidade é que produtos químicos desagradáveis e exóticos tornam muitos processos de fabricação mais baratos e viabilizam lotes em massa. Quando você força todos os limites e há muito dinheiro em jogo, é difícil excluir totalmente esse tipo de opção

• Se li direito, isso não seria mais precisamente um wafer de grafeno? Não parece que haja um circuito em cima, e sim só uma folha de grafeno. Ainda assim é impressionante, mas parece difícil chamar isso de “chip funcional”

  • Sim. Parece que o autor não entendeu a diferença entre semicondutor e chip. Os pesquisadores falaram em “semicondutor funcional”
  • Provavelmente é um dispositivo único padronizado em uma camada de grafeno crescida epitaxialmente. Pode até ser um transistor funcional ou um conjunto de transistores, mas como dispositivo único talvez não seja tão útil assim
    Normalmente, nesses dispositivos, são padronizados grandes pads metálicos para permitir o uso de sondas, e a caracterização é feita a partir daí
  • Dei uma olhada rápida no artigo e no paper, e o paper linkado no artigo diz que os pesquisadores caracterizaram o desempenho do MOSFET
  • Se a ciência dos materiais for resolvida, a diferença depois disso é só questão de engenharia

• O artigo de pesquisa completo está aqui: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
  Eles também construíram um dispositivo de prova de conceito. Está escrito: “O SEG FET top-gate fabricado foi caracterizado para medir as propriedades elétricas do SEG”

• Discussão anterior: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 e https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

• A questão é se isso pode ser processado e miniaturizado com a mesma eficiência do silício. Ainda assim, como alguém apontou, eles já fizeram transistores com base nisso e também dizem que é possível usar os mesmos processos aplicados ao silício, então tomara que dê certo

  • Sim. Já existem semicondutores que comutam muito mais rápido do que os baseados em silício, mas isso representa só cerca de 10% do todo.
    Há muito mais fatores envolvidos: tecnologia de miniaturização, equipamentos de fabs, a especialização de engenheiros e cientistas da área, além de camadas e interfaces de condutores/semicondutores/isolantes. É bom ouvir sobre avanços fora do ecossistema atual do silício, mas é muito difícil tirar o silício do caminho apenas porque é um “material melhor”. Para migrar para uma nova stack tecnológica, provavelmente seria necessário um ganho revolucionário em relação à tecnologia atual, algo como uma melhoria de 100 vezes
  • Chips baseados em silício dependem de camadas de óxido e de metal para interligar os transistores. Pelo artigo, não está claro como isso funcionaria em dispositivos baseados em grafeno.
    Isso também foi um problema em chips baseados em GaAs. Na Wikipédia sobre GaAs, está escrito: “A segunda grande vantagem do Si é a presença de um óxido natural usado como isolante, o dióxido de silício (SiO2)”
  • Mesmo que não chegue a esse nível, um MOSFET capaz de lidar com correntes absurdamente altas sem dissipador de calor já seria excelente

• Se a explicação é que “essa etapa de aquecimento é realizada empilhando dois chips de SiC, colocando-os em um cadinho de grafite, e depois inserindo isso em um tubo de quartzo com argônio. Em seguida, uma corrente de alta frequência é aplicada a uma bobina de cobre ao redor do tubo de quartzo para aquecer o cadinho de grafite por indução”, então no fim das contas isso não significa usar um forno tubular?
  de Heer disse que “os chips que usamos custam cerca de 10 dólares, o cadinho custa cerca de 1 dólar e o tubo de quartzo custa cerca de 10 dólares”, mas um forno tubular não custa 10 dólares, a menos que você o construa por conta própria e desconsidere do custo os equipamentos de milhares de dólares já existentes ao redor

  • Isso se refere ao custo dos consumíveis usados no processo. Dá para inferir que também são necessários prédio, eletricidade, funcionários e várias outras coisas

• O problema está sempre em escala e equipamentos. Se não aproveitar a infraestrutura existente, as chances de sucesso são baixas

  • Também acho que existe um problema fundamental em usar carbono para computação. Na verdade, não existe tanto carbono assim, e a maior parte do carbono que temos é necessária para a química orgânica que nos mantém vivos.
    Para referência, o carbono representa cerca de 0,18% da massa da Terra, enquanto o silício representa 27,7%. Na Lua praticamente não há carbono, e o regolito tem 20% de silício

• Existe algum nicho que precise de chips ultrarrápidos e que não possa ser atendido por chips baseados em silício? Fico curioso se haveria um mercado viável mesmo para uma empresa pequena produzindo pouco, ou se isso só seria possível com produção em larga escala

  • Com certeza existe. Por exemplo, switches de rede têm uma demanda por velocidade de processamento que quase não tem fim