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🔌Origins & Evolution

Engenheiro de Semicondutores · Projeta e fabrica os transistores dentro de cada computador, telefone e arma, usando máquinas precisas o suficiente para que apenas algumas fábricas na Terra possam operá-las.

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A engenharia de semicondutores passa por uma demonstração dos Bell Labs que ninguém fora do pequeno laboratório percebeu na época, uma briga de patentes sobre quem realmente inventou o circuito integrado, um artigo de revista que toda uma indústria decidiu tratar como uma instrução em vez de uma observação, e um executivo taiwanês que reestruturou todo o negócio em torno de uma única ideia: uma fábrica que nunca compete com seus próprios clientes.

É também uma história que continua sendo reescrita pela geografia. A mesma tecnologia concentrou-se repetidamente num pequeno número de locais — Bell Labs, Silicon Valley, Hsinchu, Veldhoven — e cada concentração tornou-se um facto estratégico que os governos, e não apenas as empresas, planeiam agora.

Where it began

16 de dezembro de 1947Murray Hill, Nova Jersey, EUA

Nos Bell Telephone Laboratories, os físicos John Bardeen e Walter Brattain demonstram um transistor de contato pontual funcional, amplificando um sinal elétrico usando uma lasca de germânio e dois contatos de ouro em vez de um tubo de vácuo volumoso e que consome muita energia. Seu colega William Shockley, insatisfeito por ter sido deixado de fora da demonstração inicial, desenvolve um projeto de transistor de junção mais prático em semanas; os três compartilham o Prêmio Nobel de Física de 1956. O Bell Labs adia o anúncio público até junho de 1948, e leva anos até que alguém compreenda totalmente que esta pequena bancada de laboratório acabou de substituir o tubo de vácuo como base da eletrônica moderna.

Timeline

1947O primeiro transistor é demonstrado no Bell Labs

John Bardeen e Walter Brattain demonstram um transistor de contato pontual funcional em 16 de dezembro; O projeto do transistor de junção de William Shockley ocorre dentro de semanas, e todos os três mais tarde compartilham o Prêmio Nobel de Física de 1956.

1954O primeiro transistor de silício comercial é enviado

O químico da Texas Instruments, Gordon Teal, desenvolve o primeiro transistor de silício prático, substituindo o germânio usado até então; a capacidade do silício de suportar temperaturas muito mais altas faz dele o material padronizado por toda a indústria.

1958–1959Kilby e Noyce inventam independentemente o circuito integrado

Jack Kilby, da Texas Instruments, demonstra um circuito funcional em uma única lasca de germânio em setembro de 1958; Robert Noyce, da Fairchild Semiconductor, registra uma patente rival em 1959 para uma versão fabricável de silício, desencadeando uma luta legal de uma década por crédito.

1965Gordon Moore publica o que se torna a Lei de Moore

Num artigo de revista para a Electronics, Moore extrapola a partir de apenas cinco dados que o número de componentes num chip está a duplicar aproximadamente todos os anos – uma previsão que a indústria transforma num roteiro auto-realizável.

1968Noyce e Moore encontraram Intel

Saindo da Fairchild Semiconductor, Robert Noyce e Gordon Moore encontraram a Intel, logo acompanhada por Andy Grove como funcionário número três; a empresa se torna a fabricante dominante de chips de memória e, posteriormente, de microprocessadores.

1971Intel lança o 4004, o primeiro microprocessador de chip único

Federico Faggin lidera o design e layout, aplicando o processo de porta de silício que desenvolveu na Fairchild, enquanto Ted Hoff, Stanley Mazor e Masatoshi Shima moldam a arquitetura; a lógica de um computador inteiro agora cabe em um chip.

1980Mead e Conway publicam 'Introdução aos Sistemas VLSI'

O livro de Carver Mead e Lynn Conway transforma o design de chips em uma metodologia estruturada e ensinável; o serviço de transporte MOSIS, lançado no ano seguinte, permite que as universidades fabricem pela primeira vez designs de chips dos próprios alunos.

1987Morris Chang funda a TSMC e o modelo de fundição

Depois de 25 anos na Texas Instruments, Chang funda a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company em Hsinchu, financiada em parte pelo governo de Taiwan e por um acordo de licenciamento de tecnologia com a empresa holandesa Philips – uma fábrica que fabrica chips para terceiros, mas não projeta nenhum deles.

2019Litografia EUV entra na produção de chips em alto volume

A TSMC e a Samsung começam a usar scanners de litografia ultravioleta extrema construídos exclusivamente pela empresa holandesa ASML na fabricação de alto volume, o primeiro comprimento de onda de padronização fundamentalmente novo que a indústria adotou em mais de duas décadas.

2022A Lei CHIPS dos EUA e os controles de exportação remodelam a indústria

Os Estados Unidos assinam a Lei CHIPS e Ciência, alocando 52,7 mil milhões de dólares para o fabrico e investigação de chips nacionais e, em Outubro, restringem as exportações de chips avançados e equipamento de fabrico de chips para a China – abrindo uma era explicitamente geopolítica para a profissão.

The eras

1947–1959

De tubos de vácuo a contatos pontuais e silício planar

A década seguinte à demonstração de Bardeen e Brattain foi dedicada a tornar os transistores confiáveis ​​e fabricáveis, em vez de meramente possíveis. Os primeiros dispositivos de contato pontual eram frágeis e inconsistentes; O transistor de junção de Shockley e depois a versão de silício de Gordon Teal na Texas Instruments tornaram a tecnologia robusta o suficiente para produtos reais, começando com aparelhos auditivos e rádios de bolso. No final da década, Jack Kilby e Robert Noyce haviam demonstrado que um circuito inteiro, e não apenas um transistor, poderia existir em uma única peça de semicondutor – a ideia que tornou tudo possível depois desta era.

Morre do Intel 4004, o primeiro microprocessador comercial de chip único
Thomas Nguyen · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons
1965–1975

A Lei de Moore e o nascimento do microprocessador

A previsão de Gordon Moore para 1965 transformou uma década de melhorias drásticas num objectivo explícito da indústria, e as empresas começaram a planear anos de investimento nas fábricas para atingir esse objectivo. A Intel, fundada em 1968, construiu seus primeiros negócios com chips de memória antes que a equipe de Federico Faggin dobrasse a lógica de um computador inteiro em um único chip Intel 4004 em 1971. A ideia de que um processador inteiro poderia ser colocado em um pedaço de silício, em vez de uma placa de circuito cheia de chips separados, redefiniu o que um computador poderia ser e quão pequeno ele poderia ser.

Complexo avançado de fabricação de wafer Fab 12 da TSMC em Hsinchu, Taiwan
曾 成訓 · CC BY 2.0 · Wikimedia Commons
1978–1990

A revolução do design e a divisão da fundição

À medida que os chips se tornavam complexos demais para serem projetados manualmente por qualquer engenheiro, o livro de 1980 de Carver Mead e Lynn Conway transformou o design de chips em uma disciplina estruturada que poderia ser ensinada e automatizada, e o ônibus MOSIS permitiu que estudantes universitários fabricassem silício real pela primeira vez. Essa mesma complexidade tornou a propriedade de uma fábrica proibitivamente cara para equipes de design menores. Morris Chang respondeu à divisão em 1987, fundando a TSMC puramente como fabricante, nunca competindo com as empresas de design que se tornaram seus clientes – uma ideia estrutural que acabou por reorganizar toda a indústria.

Equipamento de fotolitografia usado para padronizar circuitos em um wafer de silício
Rob Bulmahn · CC BY 2.0 · Wikimedia Commons
1991–2010

Escala global e a corrida da litografia

Durante as décadas de 1990 e 2000, os fabricantes de chips reduziram o tamanho dos transistores geração após geração, adotando interconexões de cobre, litografia de imersão e materiais cada vez mais exóticos para acompanhar a Lei de Moore. O domínio japonês dos chips de memória na década de 1980 deu lugar à Samsung da Coreia do Sul e, mais tarde, a uma base industrial mais ampla na Ásia. Os scanners de litografia ultravioleta profunda, construídos quase exclusivamente pela empresa holandesa ASML e pelas japonesas Nikon e Canon, tornaram-se o gargalo mais importante da indústria: apenas um punhado de empresas na Terra poderia construir uma ferramenta suficientemente precisa para manter a escala em andamento.

Uma máquina de litografia ultravioleta extrema ASML usada para fabricar chips avançados
A ansems · Public domain · Wikimedia Commons
2011 – presente

EUV, o boom dos chips de IA e a geopolítica dos chips

As máquinas de litografia ultravioleta extrema da ASML, com décadas e dezenas de bilhões de dólares em desenvolvimento, finalmente entraram em produção em alto volume em 2019, permitindo que a TSMC e a Samsung continuassem encolhendo os transistores além dos limites das fontes de luz mais antigas. Os chips gráficos da Nvidia, reaproveitados para treinar modelos de inteligência artificial, transformaram a demanda por chips em uma prioridade estratégica nacional quase da noite para o dia. Os controlos de exportação, a Lei CHIPS dos EUA e programas de subsídios semelhantes na União Europeia, no Japão e na Coreia do Sul transformaram desde então o local onde um chip é concebido, fabricado e vendido numa questão explicitamente política.

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

Engenheiro de tubos de vácuo

1900-1950

Antes do transistor, os rádios, os primeiros computadores e os amplificadores telefônicos dependiam de engenheiros qualificados em projetos em torno de tubos de vácuo frágeis, que consumiam muita energia e geravam calor. Cerca de uma década após a demonstração do Bell Labs em 1947, o transistor tornou obsoleta a maior parte desse conhecimento especializado, e o design do tubo de vácuo sobreviveu em grande parte apenas em amplificadores de guitarra e alguns sistemas militares legados.

Cortador de máscara Rubylith

Décadas de 1960 a 1980

Antes de existirem ferramentas de design auxiliado por computador, os layouts dos chips eram desenhados à mão em grande escala e cortados de folhas de filme Rubylith vermelho e transparente em mesas de corte de precisão, depois reduzidos fotograficamente nas máscaras usadas para modelar um wafer. A metodologia de design Mead-Conway e o software de layout digital da década de 1980 eliminaram quase totalmente a etapa de corte físico.

Especialista em transistores de germânio

1948–1960

Os primeiros transistores, e os engenheiros que souberam como fabricá-los de maneira confiável, foram construídos em torno do germânio, e não do silício. Depois que o transistor de silício de Gordon Teal se mostrou muito mais tolerante ao calor na Texas Instruments em 1954, a experiência em germânio deixou de ser uma especialidade viável em cerca de uma década, à medida que toda a indústria se reformulou em torno do silício.

Trades that vanished →

Cada passo nesta história segue o mesmo formato: um resultado de laboratório torna-se um produto fabricável, o produto torna-se um alvo que toda a indústria se organiza em torno de atingir, e o local que melhor consegue atingir esse alvo torna-se estrategicamente insubstituível durante algum tempo – até que o alvo mude novamente.

A actual viragem, construída em torno da litografia ultravioleta extrema e de chips de inteligência artificial, é a primeira em que os governos estão a moldar o resultado tão deliberadamente como os engenheiros.

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