Computação ótica: o computador com a velocidade da luz!
Autor: Luiz Santos | Publicado: 2010-02-12T16:57:00-02:00

Anunciado o laser de germânio, que pode deixar processadores  muito mais rápidos e sem excesso de calor.             
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     Pesquisadores do  MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) demonstraram o primeiro  laser feito a partir de germânio, que pode definir novos rumos para a  transmissão de dados através de chips de silício.
Segundo os pesquisadores, a expectativa é que este novo tipo de laser  melhore as conexões elétricas convencionais. Neste artigo, você vai  saber mais sobre o germânio e como ele poderá ser o grande passo de uma  nova era: a computação ótica.

GermânioEm 1869, o  químico russo Dmitri Mendeleev deduziu a existência deste elemento e  suas propriedades, mas foi somente em 1942 que o químico alemão Clemens  Alexander Winkler o isolou e batizou de germânio, o elemento de número  atômico 32 da tabela periódica.
O germânio é um metaloide (ou seja, tem aspecto de metal, mas não age  como um) rígido, lustroso e acinzentado, pertencente ao grupo do  carbono e tem propriedades semelhantes aos “vizinhos de tabela  periódica” estanho e silício. Trata-se de um importante semicondutor  utilizado extensamente em transistores e outros dispositivos  eletrônicos, também encontrado em sistemas de fibra ótica e de  infravermelho.
No futuro, um computador com a velocidade da  luz?O processador de um computador “pensa” as informações e as transmite  através de minúsculos circuitos elétricos. O desenvolvimento de  processadores caminha a passos largos, e a tendência é que eles fiquem  cada vez mais rápidos. Para acompanhá-los, os circuitos atuais  precisarão de mais e mais energia. Logo, pesquisadores focam em maneiras  mais práticas para enviar dados rapidamente. Uma alternativa é o uso de  sistemas óticos de comunicação, como o laser.
A transmissão de dados com laser pode ser uma alternativa mais barata  e eficiente aos circuitos eletrônicos atuais. Esta área é conhecida por  computação fotônica e vem chamando a atenção de pesquisadores. Você  pode saber mais sobre os princípios da fotônica clicando aqui.
O uso de um feixe concentrado de fóton pode ser usado para  representar um bit em um número binário. Os novos materiais condutores  que usam luz são menores e muito mais rápidos que transistores de  silício — uma corrente elétrica atinge cerca de 10% da velocidade da  luz. As pesquisas recentes unem o uso da luz com outras áreas da  tecnologia. O LCD, por exemplo, altera a polarização da luz para formar  as imagens.
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aparência de fibras óticas, o maior avanço da computação fotônica." class="img_dir" height="257" src="http://www.baixaki.com.br/imagens/materias/62874685.jpg" title="A aparência de fibras óticas, o maior 
avanço da computação fotônica." width="353" />Para atingir esse objetivo, é necessário que  uma fonte envie uma frequência específica de luz para que o processador  determine de onde a informação vem. Então essa frequência é dividida em  16 extensões, cada uma representando um dígito hexadecimal. Tem-se então  a comunicação direta, sem a necessidade de converter para dígitos  binários.
Um dos principais benefícios da computação fotônica é a menor  quantidade de calor. A corrente elétrica de um computador gera muito  calor, e a tendência é gerar ainda mais para suprir a demanda, uma vez  que os componentes estão cada vez mais rápidos. Já a luz, independente  da quantidade utilizada, gera quantidades insignificantes de calor.
Outra vantagem é que feixes de luz podem se cruzar, mas um não  interfere no outro. Já correntes elétricas não podem se cruzar, exigindo  caminhos definidos. Por esta razão, um computador óptico pode ser, além  de mais rápido, menor que um computador eletrônico.
Como toda pesquisa científica, há otimismo por parte dos envolvidos,  mas a aplicação prática e a disponibilidade no mercado em larga escala  dependem de uma série de fatores. Engenheiros creem que essa transição  aconteça em áreas especializadas uma a uma. As pesquisas atuais focam em  criar componentes atuais por equivalentes ópticos, pois a criação de  uma máquina totalmente óptica ainda esbarra em muitos empecilhos.
<img alt="A 
fibra ótica é a maior conquista da computação fotônica por enquanto." class="img_esq" height="197" src="http://www.baixaki.com.br/imagens/materias/2660/31127.jpg" title="A fibra ótica é a maior conquista da 
computação fotônica por enquanto." width="260" />A expectativa é que os computadores executem  cálculos com luz e eletricidade, mas não há a ideia de substituir esta  última completamente. A princípio, luz e eletricidade trabalharão em  conjunto para tornar a comunicação interna de circuitos elétricos mais  eficiente. O avanço mais significativo desta área de pesquisa é a fibra  ótica. Aparelhos como leitores de CD, impressoras a laser e scanners  utilizam tecnologia ótica, porém eles ainda recorrem a circuitos  eletrônicos para funcionar.
No momento, o laser de germânio do MIT opera em um ambiente com  temperatura controlada e ainda consome uma quantidade alta de energia,  que espera-se ser reduzida.
Ainda levará tempo para descobrir como integrar plenamente o laser de  germânio ao processo de fabricação de um chip. O computador fotônico  também é algo que ainda está no papel. A partir do momento em que  processadores tiverem laser interno, então esta realidade estará mais  próxima.
Para os mais curiososOs semicondutores utilizados atualmente em lasers não se “encaixam”  bem com os materiais dos processadores de silício. É necessário  construí-los separadamente e então enxertá-los no chip, o que deixa o  processo muito caro e demorado, praticamente inviável.
<img alt="A velocidade dos processadores aumenta, assim como o calor gerado. O
 laser de germânio pode ser rápido sem aquecer." class="img_dir" height="207" src="http://www.baixaki.com.br/imagens/materias/44547112/99154.jpg" title="A velocidade dos processadores aumenta, 
assim como o calor gerado. O laser de germânio pode ser rápido sem 
aquecer." width="256" />O germânio é um semicondutor que pode ser integrado ao  processo de fabricação de chips de silício com menos dificuldades, tanto  que fabricantes de semicondutores já são capazes disso. O laser de  germânio, portanto, pode ser o passo definitivo para o uso de luz em  circuitos de computadores.
As pesquisas com germânio não são de hoje. Em janeiro de 2008, já era  apontado como o elemento capaz de integrar a velocidade de conexões  ópticas com os circuitos integrados de chips de silício. Naquela época, a  National Taiwan University revelou a operação de um laser de germânio  em um ambiente condicionado. No entanto, esse laser não estava aplicado  ao silício.
O desafio era encontrar o material ideal que pudesse ser integrado ao  silício durante a fabricação do processador. De fato, lasers de silício  já foram desenvolvidos, porém só podem emitir luz quando “ajudados” por  outro laser, o que os tornam inutilizáveis para transferências entre  chips de computador.
A Intel — gigante fabricante de processadores — já desenvolveu um  laser híbrido, teoricamente mais aplicável que o modelo do MIT. No  entanto, os pesquisadores de Massachusetts garantem que já desenvolveram  um aparato mais viável e este será divulgado em breve.
Uma guinada nos estudosPara compreender a importância do germânio, é necessário entender o  conceito de banda de Valencia. Em física, o termo define um espaço  ocupado por elétrons que se afastam de um núcleo após a aplicação de  algum tipo de energia. São lacunas eletrônicas, ou seja, buracos que  serão preenchidos com outro material.
Os semicondutores são divididos em dois grupos: os com lacunas  diretas na banda de Valencia e os com lacunas indiretas na banda de  Valencia, como germânio e silício. Simplificando tudo, lasers feitos de  semicondutores funcionam da seguinte maneira: adiciona-se energia a um  elétron, que então pode atingir dois estados. No primeiro, ele libera  energia como um fóton e gera o laser, enquanto no segundo ele a libera  de outras maneiras, como calor.
<img alt="O laser poderá substituir os processadores atuais? Arte de 
Christine Daniloff." class="img_esq" height="173" src="http://www.baixaki.com.br/imagens/materias/44547112/69925.jpg" title="O laser poderá substituir os 
processadores atuais? Arte de Christine Daniloff." width="264" />Um elétron energizado  ocupa naturalmente o estado de menor energia que ele pode encontrar. Em  materiais com lacuna direta, o estado de emissão do fóton tem menos  energia que o estado posterior; em materiais com lacuna indireta,  acontece exatamente o contrário. Portanto, tais elétrons tendem a não  emitir o fóton em materiais de lacuna indireta. Logo, considera-se que  semicondutores de lacuna indireta não são capazes de produzir laser.
Em outras palavras: os elétrons estão em um núcleo. Cutucados com  energia, eles ficam em posição de repouso. Então dependem do tipo de  condutor utilizado para saber o que fazer. Um condutor com lacuna direta  chama os elétrons com pouca energia e os transformam em luz, mas um  condutor com lacuna indireta já precisa desses elétrons com muita  energia.
Por isso, materiais com lacuna indireta, até agora, eram considerados  incapazes de produzir laser. Porém, mais do que a demonstração do  laser, os pesquisadores acabaram com esse conceito largamente difundido.  Eles conseguiram fazer com que o germânio alcance o estágio de emissão  de fóton de duas maneiras.
A primeira é conhecida como “doping”, na qual átomos de outro  elemento são adicionados ao cristal do semicondutor. Nesse caso,  pesquisadores adicionaram fósforo ao germânio, o que permitiu que o  germânio atingisse o estágio para emitir o laser.
A segunda maneira foi diminuir a diferença da quantidade de energia  entre os dois estágios de energia para aumentar as chances de os  elétrons emitirem fóton. Silício e germânio têm propriedades térmicas  diferentes, então o aquecimento do processo de fabricação modificou a  estrutura da banda de Valencia, diminuindo essa diferença de energia.
Um  elétron energizado sai da banda de Valencia (verde) para a banda de  condução (laranja). No caminho, ele vai ocupar o estado de menor energia  que encontrar. Com um condutor de diferença indireta de lacuna, essa  energia não é suficiente para emitir o laser. Os pesquisadores do MIT  completaram essa diferença com fósforo adicionado ao germânio.Quando  um elétron chega à banda de condução, ele deixa um buraco na banda de  Valencia. Os pesquisadores injetam pares de elétrons e buracos ao  germânio. Quando os elétrons injetados encontram o estado de menor  energia, eles se espalham, se realinham e emitem a energia de sobra como  fóton de laser.