O fim dos transistores pode estar mais próximo do que a indústria de semicondutores imaginava.
Uma equipe da Universidade de Tóquio apresentou na última sexta-feira (15) um dispositivo de comutação que dispensa o transistor tradicional e usa o spin de elétrons para representar zeros e uns, com velocidade de 40 picossegundos por operação e consumo de energia ordens de grandeza menor que o das tecnologias atuais.
O trabalho foi publicado na revista científica Science sob o título “Picosecond ultralow-power switching device based on an antiferromagnet” e descreve o que os autores chamam de elemento de chaveamento quântico não volátil.
Em vez de abrir e fechar a passagem de corrente como um interruptor minúsculo, a nova estrutura altera a direção do spin de elétrons individuais dentro de uma camada magnética para gravar e ler informação.
Por que o transistor está chegando ao limite
O transistor sustenta praticamente toda a computação moderna: em circuitos digitais, ele se comporta como uma chave controlada por tensão: ligada, permite a passagem de corrente; desligada, bloqueia.
Esses dois estados elétricos formam a base do sistema binário e dos portões lógicos que fazem qualquer processador funcionar. Um chip Apple M4 atual, por exemplo, empacota cerca de 28 bilhões dessas chaves.
O problema é que processar mais dados exige mais transistores e processá-los mais rápido exige que cada chave alterne em frações de tempo cada vez menores. As fabricantes vêm enfrentando essa equação com miniaturização agressiva há décadas, mas o método esbarra em limites físicos.
O principal deles é o calor… Quando a corrente alterna em alta frequência, a dissipação térmica cresce na mesma proporção, e parte significativa da energia consumida por um processador vira simplesmente temperatura. Quanto mais rápido o chip, mais energia se perde nesse processo.
Como o novo dispositivo funciona
A proposta da equipe japonesa abandona o conceito de chave elétrica e passa a operar com uma propriedade quântica chamada spin.
O spin é uma característica intrínseca do elétron que pode assumir dois estados, frequentemente descritos como “para cima” ou “para baixo”. Esses dois estados servem para codificar 1 e 0 da mesma forma que a passagem ou o bloqueio de corrente no transistor.
O dispositivo combina o antiferromagneto Mn3Sn, uma liga de manganês e estanho, com uma camada de tântalo. Pulsos elétricos extremamente curtos atravessam a heteroestrutura e provocam a inversão do spin por meio de um efeito conhecido como torque spin-órbita, o mesmo princípio aplicado em memórias MRAM comerciais.
A diferença é que aqui o pulso elétrico dura apenas 40 picossegundos, contra os nanossegundos exigidos pelas tecnologias atuais.
A escala envolvida é difícil de visualizar. Um picossegundo equivale a um trilionésimo de segundo, ou 10⁻¹² segundos. Os processadores mais rápidos disponíveis hoje precisam de algo na casa do nanossegundo, ou 10⁻⁹ segundos, para realizar a mesma operação. A diferença é de várias ordens de grandeza.
“Desenvolver um dispositivo de comutação não volátil ultrarrápido e energeticamente eficiente pode causar forte impacto sobre arquiteturas computacionais emergentes. A velocidade de processamento estagnou no regime de nanossegundos porque acelerar mais exige potência de escrita excessivamente alta.”
Memória não volátil e durabilidade
Além da velocidade, o experimento traz duas vantagens estruturais importantes para componentes de Hardware do futuro.
A primeira é a natureza não volátil do dispositivo: os elétrons mantêm o estado de spin atribuído até que algo o altere, o que significa que a informação permanece armazenada mesmo sem alimentação elétrica. Memória DRAM, em contraste, precisa de energia constante para preservar dados.
A segunda vantagem é a durabilidade; o paper relata que o elemento de chaveamento permaneceu estável após 100 bilhões de transições, número várias ordens de grandeza superior ao das tecnologias correntes, em que o calor causa degradação progressiva até a falha.
As duas características aproximam o dispositivo de aplicações práticas em arquiteturas que combinam memória e processamento, área em que a indústria vem buscando alternativas ao paradigma de Von Neumann por causa do gargalo entre CPU e RAM.
Comparativo com tecnologias atuais
| Parâmetro | Transistor convencional | Dispositivo Mn3Sn (Tóquio) |
|---|---|---|
| Tempo de chaveamento | ~1 nanossegundo | 40 picossegundos |
| Diferença de escala | 10⁻⁹ s | 10⁻¹² s (25x mais rápido em pulso elétrico) |
| Geração de calor | Alta em alta frequência | Reduzida (sem aquecimento severo) |
| Volatilidade | Volátil (DRAM) ou parcial | Não volátil |
| Endurance reportada | Variável, com degradação por calor | 100 bilhões de transições estáveis |
| Mecanismo | Tensão controla corrente | Torque spin-órbita inverte spin |
Por que a indústria de chips pode se interessar
O ponto mais sensível do trabalho não é a manchete dos 1.000x mais rápido, mas algo mais prático para infraestrutura de inteligência artificial: a equipe demonstrou uma forma de inverter um estado magnético binário em escala de picossegundo sem depender do regime térmico que torna os chips rápidos atuais difíceis de escalar.
É exatamente o tipo de barreira que pressiona o desempenho dos aceleradores de IA em Data Centers.
O paper menciona ainda outra capacidade: o chaveamento funciona via fotocorrente, abrindo caminho para conversão direta de sinais ópticos em elétricos.
Isso interessa à computação fotônica, área em que pesos pesados como Intel, NVIDIA e startups especializadas vêm investindo para destravar comunicação chip-a-chip em alta velocidade.
A pesquisa foi liderada por Hanshen Tsai, Takuya Matsuda e Satoru Nakatsuji, do Trans-scale Quantum Science Institute da Universidade de Tóquio, com colaboração de pesquisadores do RIKEN, Universidade de Osaka e Johns Hopkins.
O que falta para chegar ao consumidor
Os próprios autores reconhecem que o experimento é uma prova de conceito, visto que não há ainda garantia de que chips comerciais usando essa abordagem possam ser fabricados de forma economicamente viável, integrados a processos CMOS existentes ou produzidos em escala consistente em milhões de unidades por wafer.
O Mn3Sn é um material relativamente novo no âmbito da spintrônica aplicada, sua integração com linhas de produção que hoje processam Silício envolve desafios de compatibilidade térmica, contaminação e rendimento que costumam levar uma década entre o paper acadêmico e o produto na prateleira.
Próximos passos da pesquisa
A equipe da Universidade de Tóquio já vinha demonstrando avanços incrementais com o Mn3Sn há alguns anos.
Em 2020, o mesmo grupo publicou na Nature o primeiro caso de manipulação elétrica de um estado antiferromagnético topológico nesse material. Em dezembro de 2025, um outro time da universidade, liderado por Ryo Shimano, visualizou o processo de chaveamento ocorrendo em 140 picossegundos por meio de imagens ultrarrápidas com efeito Kerr magneto-óptico.
O artigo publicado agora avança esse trabalho ao registrar comutação ainda mais rápida, com consumo reduzido e em um dispositivo concreto, não apenas em medições laboratoriais isoladas.
“A próxima fase passa por engenharia de processos, integração com transistores convencionais em arquiteturas híbridas e teste de uniformidade em larga escala.”
A combinação de velocidade no regime de picossegundos com endurance bilionária e ausência de necessidade de refresh constante torna o dispositivo um candidato natural para substituir SRAM em cache de processadores e DRAM em sistemas que demandam baixa latência, dois mercados de centenas de bilhões de dólares por ano.
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Spintrônica entra na disputa pelos próximos chips
A descoberta reforça uma corrida que vinha em segundo plano frente ao avanço da litografia EUV e do empilhamento 3D. Spintrônica, computação fotônica, memristores e dispositivos baseados em materiais 2D disputam espaço como herdeiros do transistor de Silício, e cada nova publicação científica relevante reorganiza apostas em laboratórios corporativos e universidades.
O fato de o demonstrador japonês operar à temperatura ambiente, sem necessidade de resfriamento criogênico como exigem os computadores quânticos tradicionais, é o que separa este tipo de pesquisa do nicho dos qubits supercondutores. O dispositivo se comporta como componente clássico, com codificação binária definida, e poderia teoricamente coexistir com a arquitetura digital atual.
A janela para que isso vire produto comercial ainda é longa, mas é a primeira vez que um experimento reúne, no mesmo dispositivo, 40 picossegundos de comutação, baixíssimo consumo, 100 bilhões de ciclos sem falha e operação não volátil. Esses quatro fatores juntos não existiam até agora em nenhuma tecnologia conhecida fora do Silício.
Fonte(s): Science e Universidade de Tóquio
Tsai, H. et al. “Picosecond ultralow-power switching device based on an antiferromagnet”. Science, 15 de maio de 2026. DOI: 10.1126/science.adt3136
