Diante da expansão da computação em nuvem, da inteligência artificial e dos grandes centros de dados que operam milhares de máquinas simultaneamente, cresce a demanda por sistemas mais rápidos, eficientes e sustentáveis. Nesse contexto, em que a eletrônica tradicional enfrenta limites de miniaturização, superaquecimento e consumo energético, a fotônica, área que utiliza fótons (luz) em vez de elétrons para transmitir e processar informações, surge como uma alternativa promissora.
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Uma pesquisa publicada na revista Science Advances apresentou um nanolaser que pode viabilizar a criação de dispositivos capazes de processar informações codificadas em sinais luminosos. Desenvolvido por pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca, esse nanolaser é extremamente compacto e possibilita que microchips do futuro operem com luz, enquanto os microchips atuais ainda processam informações codificadas em sinais elétricos. Segundo o estudo, a tecnologia pode tornar os sistemas eletrônicos mais ágeis e energeticamente eficientes.
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Atualmente, mesmo quando a internet utiliza fibra óptica para transmitir dados, a luz precisa ser convertida em impulsos elétricos antes de atingir os microchips, aumentando as perdas de energia por aquecimento dos componentes. Embora a transmissão óptica seja mais eficiente que a elétrica, a conversão é necessária para o processamento dos sinais. Dispositivos construídos a partir do nanolaser poderão otimizar essa etapa, tornando o processamento mais econômico.
O físico Eduardo Walter destaca que o nanolaser, com dimensões na escala de nanômetros, permite concentrar centenas de lasers em um único microprocessador, aumentando a capacidade de processamento sem expandir a área física ocupada. "Trata-se de um avanço marcante na miniaturização de sistemas de alta performance, especialmente em um momento em que os componentes eletrônicos convencionais se aproximam de seus limites estruturais", afirma.
Técnica
Produzido em uma sala limpa — ambiente controlado que evita contaminações microscópicas —, o nanolaser utiliza uma nanocavidade, que é uma estrutura capaz de aprisionar a luz em um espaço extremamente pequeno, milhares de vezes menor que a espessura de um fio de cabelo. Dentro dessa cavidade, os fótons ficam confinados por um período suficiente para interagir de forma controlada com os elétrons, permitindo que o laser funcione em temperatura ambiente e com baixo consumo energético, segundo o professor de engenharia elétrica e coautor do estudo Jesper Mørk.
De acordo com ele, a tecnologia transmite informações dentro do computador de maneira análoga aos pulsos de luz que circulam na internet. Além de acelerar o processamento, a tecnologia reduz significativamente o desperdício de energia em forma de calor, um dos principais desafios dos sistemas eletrônicos atuais. Mørk afirma que dispositivos baseados nesse nanolaser podem reduzir em até 50% o consumo energético de computadores futuros, com impacto direto na sustentabilidade dos centros de dados.
Apesar disso, a produção em larga escala e a adaptação dos chips exigirão novos investimentos e técnicas industriais, ressalta Walter. O físico lembra que, como ocorre com outras tecnologias disruptivas, a adoção tende a ser gradual: os processadores construídos a partir de transistores, inventados nos anos 1940, só se popularizaram décadas depois, e as fibras ópticas também levaram tempo para se consolidar. Os pesquisadores estimam que os desafios técnicos finais poderão ser resolvidos nos próximos cinco a 10 anos.
*Estagiária sob supervisão de Lourenço Flores
PARA SABER MAIS
Menos calor produzido
Segundo Daniel Valente, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), apoiado pelo Instituto Serrapilheira, aparelhos eletrônicos, como celulares, tablets, notebooks e computadores de mesa, funcionam com base no mesmo princípio: o circuito integrado, ou chip. "O circuito é formado por uma rede de fios microscópicos por onde fluem cargas elétricas, cuja unidade mínima é o elétron. O trajeto dessas cargas é controlado por componentes eletrônicos, como capacitores, resistores e transistores."
Ele explica que cada comando do usuário, como cliques no teclado ou na tela do dispositivo, faz com que as cargas elétricas percorram caminhos diferentes dentro do circuito. Essas variações geram diferentes configurações no aparelho, resultando no processamento de informações. A movimentação das cargas de um ponto a outro, porém, produz calor, fenômeno facilmente percebido quando os aparelhos esquentam com o uso intenso.
Para Valente, o recente trabalho do grupo dinamarquês representa uma contribuição importante ao desenvolvimento dos nanolasers. "Eles demonstraram como projetar nanolasers mais eficientes do que os anteriormente conhecidos, utilizando um método que confina simultaneamente a luz e as cargas elétricas, necessárias para criar e absorver luz, em escalas de algumas centenas de nanômetros. Nesse caso, as cargas elétricas permanecem confinadas, e não em movimento como nos circuitos convencionais, o que reduz significativamente a geração de calor. Esse é mais um passo rumo ao desenvolvimento de tecnologias fotônicas para computação e transmissão de informações."
Saiba Mais