Cinzas do pioneiro dos semicondutores Chih-Tang Sah são levadas de volta à China

O retorno final ao lar de uma mente que moldou os chips modernos

As cinzas de Chih-Tang Sah, pioneiro da era moderna dos semicondutores, foram levadas dos Estados Unidos para Fujian, no sudeste da China, onde serão enterradas. Seu legado científico está presente em quase todos os dispositivos com chips, do celular no bolso aos computadores que orientam aeronaves e aos aceleradores usados no treinamento de inteligência artificial. Em 1963, quando trabalhava na Fairchild Semiconductor com seu colega Frank Wanlass, Sah propôs o conceito de lógica de semicondutores de óxido metálico complementar, mais conhecido como CMOS. Essa ideia, simples em conceito e profunda em impacto, abriu caminho para circuitos integrados práticos e de baixo consumo de energia e para a escala impressionante da indústria de chips atual. Em 2011, cerca de 99% dos circuitos integrados de semicondutores eram produzidos com tecnologia CMOS, segundo o livro High-Frequency Integrated Circuits, de Sorin Voinigescu, da Universidade de Toronto.

Sah nasceu em Pequim e morreu em 5 de julho, aos 92 anos. Foi professor honorário da Universidade de Xiamen, que lamentou sua morte e destacou sua longa ligação com a comunidade acadêmica. O retorno de suas cinzas à província de seus ancestrais é um momento para refletir sobre a ciência que impulsiona silenciosamente o cotidiano e a economia global, e sobre uma carreira que conectou laboratórios, salas de aula e o coração da era moderna da informação.

Quem foi Chih Tang Sah

Chih-Tang Sah fez parte de uma geração que construiu as bases da era da informação. Nascido na China em 1932 e criado na ilustre família Sah, de Fuzhou, ele estudou engenharia nos Estados Unidos. Obteve dois diplomas de bacharelado na Universidade de Illinois e, em seguida, concluiu o mestrado e o doutorado na Universidade Stanford. Essa formação o colocou no centro das primeiras pesquisas de estado sólido, justamente quando os dispositivos de silício começavam a sair dos artigos de física e chegar às fábricas.

Formação e início da carreira

Em 1956, Sah ingressou no setor de eletrônica de estado sólido e, pouco depois, passou a trabalhar na Fairchild Semiconductor, onde ele e Frank Wanlass apresentaram o conceito CMOS em 1963. A combinação de dois tipos de transistores, um que conduz quando a entrada está em nível alto e outro que conduz quando ela está em nível baixo, criou uma lógica de baixo consumo em repouso e que podia ser ampliada com eficiência à medida que os chips se tornavam mais complexos. Mais tarde, Sah tornou-se professor na Universidade de Illinois, onde lecionou de 1962 a 1988, e depois deu continuidade ao trabalho na Universidade da Flórida. Ao longo da carreira acadêmica, publicou cerca de 280 artigos em periódicos, orientou doutorandos e avançou a física dos dispositivos que fundamenta o projeto e a fabricação de CMOS. Foi reconhecido nos meios acadêmico e industrial por contribuições que uniram teoria, dispositivos e sistemas.

O Laboratório de Micro e Nanotecnologia Holonyak da Universidade de Illinois coloca Sah ao lado de outras grandes figuras que moldaram o legado da instituição na pesquisa em semicondutores. A história do laboratório descreve uma continuidade que vai da era dos transistores aos circuitos integrados modernos, na qual Sah tem seu lugar. O panorama histórico do laboratório pode ser consultado no site do Laboratório de Micro e Nanotecnologia Holonyak.

Os pesquisadores do laboratório fazem parte de um legado histórico dos semicondutores, iniciado por gigantes da engenharia como John Bardeen, Nick Holonyak Jr. e Chih-Tang Sah, cujo trabalho pioneiro ajudou a dar início e impulsionar a revolução da tecnologia da informação de hoje.

Como o CMOS mudou tudo

CMOS, sigla em inglês para semicondutor de óxido metálico complementar, é a tecnologia de base da maioria dos chips. No centro dela estão pares complementares de transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico, ou MOSFETs. Um tipo de transistor, chamado tipo p, tende a conduzir corrente quando a entrada está em nível baixo. O outro, chamado tipo n, tende a conduzir quando a entrada está em nível alto. Ao organizá-los em conjunto em cada porta lógica, os engenheiros criaram circuitos com consumo de energia estático muito baixo e alta resistência a ruídos elétricos. A corrente só flui de forma significativa quando o circuito comuta, o que significa menos calor em repouso e maior eficiência energética.

Por que o CMOS consome menos energia

Considere o elemento lógico mais simples, o inversor. Em um inversor CMOS, quando a entrada está em nível baixo, o transistor tipo p conduz e o tipo n fica desligado. Quando a entrada está em nível alto, o tipo n conduz e o tipo p fica desligado. Para qualquer nível lógico válido, um dos dispositivos está desligado, o que limita o fluxo contínuo de corrente. A energia é consumida principalmente durante a carga e a descarga de capacitâncias minúsculas na comutação. Essa característica levou diretamente a baterias de longa duração em dispositivos portáteis, alta densidade nos chips e à possibilidade de os projetistas continuarem aumentando a complexidade sem elevar o consumo de energia na mesma proporção.

O CMOS foi apresentado na Fairchild em 1963 e ganhou força comercial quando a RCA produziu os primeiros circuitos integrados CMOS no fim da década de 1960. Na década de 1980, já havia superado outras famílias lógicas. Hoje, o CMOS está presente em microprocessadores, microcontroladores, memórias RAM estáticas, sensores de imagem e na lógica de controle de inúmeros sistemas. Mesmo com a evolução da forma física dos transistores, com estruturas FinFET e gate-all-around substituindo os antigos projetos planares, o estilo lógico continua sendo o CMOS. Muitos chips modernos também empilham componentes em três dimensões e usam encapsulamento avançado, mas ainda dependem dos mesmos princípios de comutação complementar defendidos por Sah e Wanlass.

Da Fairchild à sala de aula

A Fairchild Semiconductor teve um papel enorme no crescimento do Vale do Silício. Ela reuniu cientistas e engenheiros que desenvolveram os processos e dispositivos que impulsionaram os primeiros circuitos integrados. Nesse ambiente, Sah transitou entre a teoria aprofundada dos dispositivos e as questões práticas de fabricação e projeto, experiência que depois levou para a sala de aula.

Ensino e orientação

Em Illinois, Sah ajudou a fomentar uma compreensão rigorosa dos dispositivos de silício e de seu comportamento, fortalecendo o fluxo de estudantes que viriam a projetar e construir as gerações seguintes de chips. O Laboratório de Micro e Nanotecnologia Holonyak, cujas raízes remontam a figuras como John Bardeen e Nick Holonyak Jr., é um elo vivo entre esse trabalho fundamental e os avanços atuais. O laboratório registra essa trajetória em sua própria história, em hmntl.illinois.edu. A pesquisa acadêmica e a colaboração com a indústria transformaram o CMOS, de uma ideia, em uma plataforma quase universal. Um artigo recente na revista Materials argumentou que o CMOS continua sendo a base dominante dos sistemas digitais, enquanto novos materiais e tipos de dispositivos são investigados para computação analógica, memória e neuromórfica, desde que possam ser integrados a processos de fabricação compatíveis com CMOS. Essa perspectiva reflete a maturidade e a resiliência da plataforma que Sah ajudou a impulsionar.

Um legado presente em celulares, aviões e aceleradores de IA

As marcas da influência de Sah estão em todos os bolsos e sobre todas as mesas. A lógica digital que executa instruções de software, os conjuntos de memória que armazenam dados, os sensores que capturam imagens e os rádios que conectam dispositivos dependem de técnicas CMOS. De computadores de voo em aeronaves a sistemas de controle em carros e espaçonaves, os projetistas escolhem o CMOS por sua eficiência energética, confiabilidade e capacidade de expansão.

Tecnologia do dia a dia baseada em CMOS

Os chips que alimentam serviços de nuvem e inteligência artificial também são fabricados com tecnologia CMOS. O acelerador H200 da Nvidia, um dos produtos mais conhecidos dessa categoria, é feito com tecnologia avançada de processo CMOS. As restrições à exportação de chips de alto desempenho como esse tornaram-se um ponto de tensão entre os Estados Unidos e a China. A geopolítica é complexa, mas os fundamentos científicos são simples. A comutação complementar, que reduz o consumo de energia e permite alta densidade de integração, essência do CMOS, é o fio condutor por trás desses avanços.

Por que esse retorno ao lar importa para a China de hoje

O retorno das cinzas de Sah a Fujian tem significado cultural e científico. Ele foi professor honorário da Universidade de Xiamen, e sua trajetória, de Pequim a laboratórios de pesquisa e salas de aula pelo mundo, reflete a diáspora científica chinesa do século passado. A China está investindo pesadamente em ensino, pesquisa e fabricação de semicondutores. Os conceitos fundamentais que Sah desenvolveu, como a lógica complementar e o controle cuidadoso da física dos dispositivos, são centrais para essas ambições.

Controles de exportação, mudanças nas cadeias de suprimentos e a corrida para produzir chips menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia colocaram os semicondutores no centro das estratégias nacionais. Ainda assim, o CMOS é uma linguagem comum para os engenheiros. Seja em Pequim, Taipei, Hsinchu, Seul, Austin ou Dresden, os métodos e modelos que fundamentam o comportamento dos transistores são ensinados e aplicados de maneiras semelhantes. Essa base compartilhada faz parte do legado de Sah e continuará orientando os engenheiros em busca de mais desempenho e menor consumo de energia.

A ciência em termos simples

Um MOSFET, o dispositivo básico dentro do CMOS, é uma chave minúscula que controla a corrente por meio de um campo elétrico. Imagine um canal em um semicondutor, com terminais de fonte e dreno em suas extremidades. Uma fina camada isolante de óxido separa o canal de um eletrodo de porta. Ao aplicar uma tensão à porta, o dispositivo atrai ou repele portadores de carga no canal. Acima de uma determinada tensão limite, forma-se um caminho condutor e a corrente flui. Abaixo dela, esse caminho se fecha e a corrente para, exceto por uma pequena corrente de fuga.

O que faz um MOSFET

Na lógica CMOS, um MOSFET tipo n puxa a saída em direção ao terra quando a entrada está em nível alto, e um MOSFET tipo p puxa a saída em direção à tensão de alimentação quando a entrada está em nível baixo. Eles atuam em oposição, de modo que apenas um conduz durante estados lógicos estáveis. Isso resulta em consumo de energia estático quase nulo nas portas lógicas, uma das principais razões pelas quais o CMOS se tornou a tecnologia preferida para circuitos digitais.

Consumo de energia e escalabilidade

O consumo de energia no CMOS tem dois principais componentes. A energia dinâmica vem da carga e descarga de capacitâncias durante a comutação. A energia de fuga vem de pequenas correntes que fluem mesmo quando os transistores estão desligados, fenômeno que se torna mais significativo à medida que os dispositivos diminuem. Os engenheiros reduzem o consumo com técnicas de circuito como o bloqueio de clock, o escalonamento dinâmico de tensão e um layout cuidadoso, além de adotar estruturas de dispositivos aprimoradas. Os transistores FinFET e gate-all-around melhoram o controle do canal, reduzem as correntes de fuga e permitem avanços adicionais na miniaturização. A confiabilidade também importa. Os projetistas incluem estruturas de proteção contra descargas eletrostáticas e levam em conta o estresse que pode degradar as linhas metálicas com o tempo. Além da lógica digital, o CMOS viabiliza funções analógicas de precisão, captação de imagens e circuitos de rádio para o 5G e para pesquisas em 6G, ampliando a influência de Sah para praticamente todos os campos da eletrônica.

Homenagens finais e planos para o sepultamento

O traslado das cinzas de Sah para Fujian completa o ciclo de sua história. Ele foi um cientista de alcance global cujo trabalho começou na China, amadureceu nos Estados Unidos e se espalhou pelos continentes por meio de estudantes, artigos e produtos. O sepultamento em sua província ancestral reconhece tanto suas raízes pessoais quanto a gratidão coletiva. A Universidade de Xiamen, onde ocupou um cargo honorário, está entre as instituições que reconhecem seu impacto.

Das bancadas da Fairchild às salas de aula e salas limpas de todo o mundo, a trajetória do CMOS mede o alcance das ideias de Sah. Toda vez que um dispositivo liga rapidamente e consome pouca energia, há nele um traço de sua visão. Esse é um legado tão duradouro quanto o silício que ajudou a moldar.

Principais pontos

• As cinzas de Chih-Tang Sah foram levadas dos Estados Unidos para Fujian, onde serão enterradas
• Na Fairchild, em 1963, Sah e Frank Wanlass propuseram juntos o conceito CMOS que sustenta os chips modernos
• Em 2011, cerca de 99% dos circuitos integrados usavam CMOS, segundo um livro-texto de Sorin Voinigescu
• Sah lecionou na Universidade de Illinois e na Universidade da Flórida, publicou cerca de 280 artigos e orientou doutorandos
• O CMOS viabilizou lógica eficiente em termos de energia para celulares, computadores, sistemas aeroespaciais e aceleradores de IA, como o H200 da Nvidia
• Seu retorno ocorre em meio ao esforço da China para expandir seu setor de chips e aos controles de exportação de processadores avançados
• Sah foi professor honorário da Universidade de Xiamen e é lembrado nos meios acadêmico e industrial
• Avanços como FinFET e gate-all-around mantêm o princípio CMOS no centro das novas gerações de chips