Uma luz para o avanço da computação

Projeto de fotônica da Unicamp amplia conhecimentos essenciais para setores como inteligência artificial e tecnologias quânticas

Uma luz para o avanço da computação

Projeto de fotônica da Unicamp amplia conhecimentos essenciais para setores como inteligência artificial e tecnologias quânticas

O volume de dados transmitido pela internet em 2025 atingiu 173,4 zettabytes (ZB), segundo a consultoria alemã Statista, ou seja, 173.400.000.000.000.000.000.000 bytes (1,734 x 1023), uma quantidade incomensurável para a mente humana (cada byte representa 8 bits, a menor unidade de informação possível de armazenar). A energia produzida para movimentar e armazenar tantos bytes acarreta um custo significativo e cada vez maior para o planeta: de acordo com a Agência Internacional de Energia (AIE), esse ecossistema já responde por 1% do total de emissões de carbono na atmosfera. Um entrave para qualquer expectativa de evolução tecnológica baseada na eletrônica convencional.

Por isso, pesquisas nessa área têm focado no desenvolvimento de tecnologias fotônicas, que exploram o potencial de armazenamento e transporte de dados por meio de fótons, as partículas de luz. Esse foi o objetivo do projeto temático iPhD (Integrated Photonics Devices, ou Dispositivos Fotônicos Integrados), uma iniciativa do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) e da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (Feec) da Unicamp, em parceria com a Universidade Presbiteriana Mackenzie, que contou com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e chegou ao fim em abril deste ano. Além de conceberem dispositivos mais rápidos e eficientes do ponto de vista energético, os pesquisadores avançaram em conhecimentos essenciais para setores como a inteligência artificial e as tecnologias quânticas.

Entre elétrons e fótons

Na segunda metade do século 20, um salto tecnológico possibilitou não só o desenvolvimento dos computadores como os conhecemos hoje em dia, mas também a popularização dos diversos aparelhos eletrônicos e digitais em nosso cotidiano. Isso ocorreu graças aos avanços da eletrônica, cuja base está no controle do fluxo de cargas elétricas. Dispositivos como circuitos eletrônicos e chips possuem componentes que tornam possível gerenciar o fluxo de elétrons, bloquear ou permitir sua passagem, regular a intensidade dos sinais e processar informações em circuitos digitais.

No entanto, a eletrônica convencional possui limitações. “Elétrons têm carga elétrica, eles interagem entre si de uma forma muito forte”, comenta Gustavo Weiderhecker, professor do IFGW e pesquisador principal do iPhD. Uma das consequências disso é o aquecimento dos aparelhos eletrônicos. “Os data centers, por exemplo, precisam tanto de refrigeração porque esquentam. A energia dissipada não vem apenas da transmissão de sinais elétricos, mas também de seu armazenamento e processamento.” Outras limitações são a velocidade de transmissão dos sinais elétricos, os riscos de interferência eletromagnética e o grande consumo de energia para seu funcionamento.

A fronteira tecnológica para vencer as limitações da eletrônica tradicional consiste na substituição dos elétrons por fótons. Esse é o objetivo da fotônica, área da ciência dedicada ao estudo do uso da luz para transmitir, processar e armazenar informações. Isso acontece por meio da conversão de pulsos de luz em sinais digitais e de sua transmissão por fibras ópticas. A grande vantagem disso é a possibilidade de transmissão de um volume muito maior de dados em muito menos tempo e com uma demanda muito menor de energia. “Com os fótons, conseguimos uma maior velocidade de informação, com menos energia e menos perdas, ou seja, menos geração de calor”, detalha Weiderhecker.

Várias aplicações e vantagens da fotônica já estão presentes no cotidiano. Uma delas foi a popularização da internet banda larga transmitida por fibra óptica, que deu mais velocidade e estabilidade ao sinal de internet. Outros usos são os lasers e os sensores ópticos presentes em diversos equipamentos. No entanto, para que a fotônica seja capaz de possibilitar um salto tecnológico assim como ocorreu com a eletrônica, é necessário que todas essas propriedades operem de forma integrada em um mesmo sistema tecnológico. “Há todo um caminho para que as informações dos computadores da OpenAI [empresa de inteligência artificial responsável por aplicações como o ChatGPT] cheguem ao nosso celular, por exemplo. É necessário converter o sinal elétrico dos computadores em sinal óptico. O componente que faz essa conversão é o que chamamos de dispositivo fotônico integrado”, explica Thiago Alegre, professor do IFGW e pesquisador principal do iPhD.

Quanto mais compactada em menos dispositivos essa capacidade estiver, maior o potencial de armazenamento e processamento de dados. “Em vez de construirmos um único componente que converte eletricidade em sinal óptico, começamos a pensar em verdadeiros sistemas que exploram essa integração. Eventualmente, até uma placa de computador que faça a conversão, o processamento, o armazenamento de memória, tudo em domínio óptico”, pontua Alegre.

Segundo os pesquisadores que integram o projeto, conforme novos dispositivos integrados forem sendo desenvolvidos, agregando em si maior capacidade de operação fotônica, maiores as possibilidades de eles serem combinados com outros dispositivos também integrados, elevando ainda mais a capacidade dessas novas tecnologias. “Um exemplo do quanto essa integração se torna real ao longo do tempo é lembrarmos da corrida espacial: a capacidade de processamento de dados da missão Apollo 11, que levou o homem à Lua em 1969, é menor que a de um celular hoje”, compara Felippe Barbosa, pesquisador associado do projeto e também professor do IFGW.

Integrados

As pesquisas realizadas no âmbito do iPhD foram organizadas em três áreas. A primeira é a fotônica não linear, dedicada ao estudo dos fenômenos ópticos que envolvem luzes intensas, como lasers muito potentes, capazes de alterar o meio por onde se propagam. Para isso, são necessários os conhecimentos em optomecânica, área dedicada justamente a entender como os fótons podem interagir com objetos, fazendo-os se movimentar ou vibrar – e vice-versa, ou seja, como o movimento de materiais pode alterar o comportamento dos fótons.

Dominar essas propriedades é importante para o projeto de novos dispositivos, como fibras e chips, nos quais é necessário saber como será o comportamento dos fótons que passam por eles e como fazer com que as partículas entrem e saiam por cavidades, ou ainda reduzir e aumentar sua potência óptica.

Esse conhecimento é aplicado também na segunda área, dedicada a novos materiais. Aqui, os pesquisadores buscam conhecer a relação entre a estrutura e as propriedades ópticas de materiais para o desenvolvimento de novos dispositivos que favoreçam as propriedades ópticas não lineares aplicáveis a uma tecnologia. Por fim, a terceira área de estudos é a de integração híbrida, ou seja, como esses diferentes materiais e propriedades podem ser aplicados de forma a alcançar um desempenho desejado. “Conseguirmos unir esse tipo de grupo é fundamental, porque o avanço da ciência e a inovação precisam ser transversais”, avalia o professor do IFGW Newton Frateschi, pesquisador principal e responsável pelo projeto temático.

O grupo também celebra a possibilidade de, por meio do projeto, adquirir equipamentos de ponta que permitam tanto a análise quanto a produção, em escala de prototipagem laboratorial, de chips e dispositivos fotônicos. Esses dispositivos são produzidos a partir do processo de corrosão de filmes ultrafinos – comparável ao entalhe de uma madeira, mas em escalas nanométricas – ou de deposição de novas camadas, como em uma impressão.

Para isso, são necessários equipamentos capazes de medir a espessura desses filmes e camadas. Um desses equipamentos é do tipo filmetrics, que mede as camadas por meio de luz, e o outro é um perfilômetro, que detecta o relevo dos materiais por um processo semelhante ao da agulha de uma vitrola, percorrendo as ranhuras dos discos. Já o terceiro equipamento, orçado em cerca de US$ 3 milhões, é dedicado ao desenho dessas estruturas microfabricadas. “Se quisermos fazer um transistor com largura de uma porta de cinco nanômetros [milionésimos de milímetros], por exemplo, o desenho pode ser feito nessa máquina”, detalha Alegre. “Com isso, vamos colocar a capacidade de produzir esses dispositivos no mesmo nível do estado da arte mundial. Seremos os primeiros no Brasil e, certamente, na América Latina.”

De volta ao topo

O avanço científico proporcionado pelas tecnologias fotônicas tem implicações diretas no desempenho econômico e nas relações geopolíticas da atualidade. Um exemplo é o papel de Taiwan, líder mundial na produção de chips e como o risco de um conflito com a China impacta a indústria de tecnologia. O Brasil também já teve destaque no setor, e a Unicamp foi pioneira entre os centros de pesquisa na área. O primeiro laser semicondutor para uso em comunicações ópticas de longa distância foi produzido no IFGW ainda no fim dos anos 1970, poucos anos depois do advento de tecnologias desse tipo nos Estados Unidos.

Frateschi lembra que esse destaque da Universidade ocorreu graças ao pioneirismo do Laboratório de Pesquisas em Dispositivos (LPD) do IFGW, fundado em 1972. “Ele teve início com o que se pensava como uma estratégia nacional para desenvolver comunicações ópticas. Hoje, se buscarmos em qualquer lugar do país de onde vieram os pioneiros nas telecomunicações, óptica e fotônica, veremos que surgiram no LPD.”

O docente considera que a relevância da Unicamp na área também consistia em transferir às indústrias o que se produzia nos laboratórios. “Como a sofisticação das pesquisas é muito grande nessa área, é difícil atacarmos os problemas mais imediatos. Mas, de uma forma geral, a Unicamp é exemplar nessa questão de transferência de conhecimento ao setor produtivo no Brasil.” Para o futuro das pesquisas em fotônica, ele considera que aplicações como tecnologias de sensoriamento e de inteligência artificial serão as de maior demanda por inovações. “Empresas como a Nvidia [líder mundial no desenvolvimento de tecnologias de inteligência artificial], por exemplo, precisam muito de chips fotônicos. A fotônica integrada é essencial para a continuidade do hardware e da inteligência artificial”, projeta.

Outra área para a qual as pesquisas são cruciais é a das tecnologias quânticas, nas quais o domínio sobre os fótons é apenas o passo inicial. Para isso, o grupo investe em novas parcerias e projetos para a continuidade dos estudos. “Estamos integrados a um INCT [Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia] de tecnologias quânticas, em dois consórcios Fapesp, um na área de comunicações quânticas e outro de computação e sensoriamento quântico, e em projetos multiusuários de maior capacidade de fabricação”, pontua Frateschi. “Ou seja, não significa que nosso projeto acabou e vamos apagar as luzes. Agora estamos começando de novo.”