De 10 mícrons a 2 nanômetros: meio século de processadores Intel, AMD e ARM

Do Intel 4004 ao Panther Lake, passando pelo Athlon, pelo ARM1 e pelo Apple M1, a história dos chips que movem os computadores pessoais contada pela litografia que os tornou possíveis

O chip de uma calculadora

A história começa com uma calculadora japonesa. O Intel 4004, primeiro microprocessador comercial, era um processador de 4 bits com 2.300 transistores e frequência de 740 kHz. Foi projetado por Federico Faggin, Stanley Mazor e Ted Hoff, da Intel, e por Masatoshi Shima, da Busicom, para a calculadora Busicom 141-PF, e chegou ao mercado em 15 de novembro de 1971.

O 4004 era fabricado com traços de 10 micrômetros (µm), ou 10 mil nanômetros, contra os cerca de 100 mil nanômetros de um fio de cabelo humano. As primeiras unidades saíam de lâminas de silício de duas polegadas, contra as de 12 polegadas usadas hoje. Essa medida, a largura mínima que o processo de fabricação consegue gravar no silício, é o fio condutor desta história. Cada vez que ela diminui, cabem mais transistores no mesmo espaço, os chips ficam mais rápidos e gastam menos energia.

A IBM, o x86 e o nascimento da AMD como rival

O 8086, primeiro chip da família que hoje conhecemos como x86, foi entregue em junho de 1978, mas não fez sucesso imediato. A virada veio em 1981, quando a IBM escolheu o x86 em vez do Motorola 68000 para seu primeiro computador pessoal. Para cortar custos, comprou o 8088, variante do 8086 com barramento externo de 8 bits, e exigiu que a Intel licenciasse o projeto a fabricantes secundários, garantindo fornecimento e preços menores.

A AMD, fundada por ex-colegas da Fairchild Semiconductor, foi a escolhida. As duas empresas assinaram em 1982 um acordo de troca de tecnologia, que a Justiça americana descreveu depois como um arranjo recíproco de segunda fonte. O contrato foi estendido em 1984 às gerações seguintes, o 80186 e o 80286. Mas o mercado mudou rápido: no fim de 1986, a IBM já havia perdido o controle da plataforma para os fabricantes de clones, e a Intel deixou de precisar do parceiro. A disputa entre as duas empresas acabou nos tribunais e chegou à Suprema Corte da Califórnia em 1994.

Os chips cresciam em ritmo acelerado. A Intel lançou em 1982 o 80286, de 16 bits e 134 mil transistores. Em 1985 veio o 80386, de 32 bits e 275 mil transistores, capaz de rodar vários programas ao mesmo tempo, e em 1989 o 80486, com 1,2 milhão de transistores e coprocessador matemático embutido. O 386 nasceu num processo de 1,5 µm e migrou em 1987 para 1 µm, o que reduziu bastante o tamanho do chip.

Enquanto isso, em Cambridge

Do outro lado do Atlântico, nascia a arquitetura que viria a desafiar o x86 quatro décadas depois. A britânica Acorn Computers, fundada em 1978 e contratada para fabricar o BBC Micro, computador de um programa do governo britânico para as escolas, usava o processador 6502 e decidiu projetar o próprio chip. Os engenheiros Sophie Wilson e Steve Furber concluíram em 1985 o ARM1, com cerca de 25 mil transistores em tecnologia de três micrômetros.

As primeiras amostras chegaram da fabricante VLSI Technology às 13h de 26 de abril de 1985 e, duas horas depois, a tela exibia “Hello World, I am ARM”. O chip funcionou de primeira, apesar de um curto-circuito na placa de testes: estava operando apenas com a corrente que vazava pelos pinos de entrada e saída. Projetado para consumir 1 W, gastava em média menos de 100 mW. A comparação com o 386, lançado no mesmo ano, mostra a filosofia RISC: cerca de 25 mil transistores contra 275 mil, e 50 mm² de área contra 104 mm². A ARM foi separada da Acorn em 1990 e adotou o modelo que a tornaria onipresente: não fabrica chips, licencia seus projetos para outras empresas.

Pentium e a corrida dos megahertz

O Pentium chegou em 22 de março de 1993. Os primeiros modelos, de 60 e 66 MHz, usavam tecnologia BiCMOS de 0,8 µm e tinham 3,1 milhões de transistores, enquanto as versões de 75 MHz em diante passaram a 0,6 µm. Para dar uma escala próxima ao leitor brasileiro, esse nó de 0,6 µm, lançado em outubro de 1994, é o mesmo da fábrica da Ceitec, montada com equipamentos de 600 nm doados pela Motorola.

Em 1995, o Pentium de 133 MHz desceu a 0,35 µm, o que reduziu a área do chip pela metade em relação à geração anterior. Segundo a Microprocessor Report, a Intel foi a primeira a entregar um processador num processo realmente de 0,35 µm. A mesma publicação alertava que concorrentes como NEC e Toshiba anunciavam chips “de 0,35 µm” medindo o comprimento efetivo da porta do transistor, e não o desenhado. Pela métrica padrão, esses processos seriam de 0,5 ou 0,45 µm. Já em 1995, portanto, o número do nó começava a se descolar da realidade física. A Intel seguiu com o Pentium II, em 0,35 µm (1997), e o Pentium III, em 0,25 µm (1999), mais tarde migrado para 0,18 µm.

A AMD vence a corrida do gigahertz

A AMD deixou de ser coadjuvante com o Athlon, lançado em 23 de junho de 1999. Em 6 de março de 2000, a empresa anunciou o início das entregas do Athlon de 1 GHz, com os primeiros sistemas da Compaq e da Gateway, tornando-se o primeiro processador de desktop a atingir essa marca. O presidente da AMD, W.J. Sanders, comparou o feito à quebra da barreira do som. O chip era fabricado no processo de 0,18 µm com interconexões de alumínio da própria AMD.

O muro térmico

A corrida pela frequência bateu num limite físico. A Intel apostou na arquitetura NetBurst do Pentium 4, mas a versão de 90 nm, Prescott, sofria com problemas de calor e de rendimento de produção. Em maio de 2004, a empresa cancelou os sucessores Tejas e Jayhawk e anunciou que migraria para projetos de dois núcleos. Em outubro, desistiu também do Pentium 4 de 4 GHz, e analistas atribuíram a decisão a problemas de consumo e aquecimento. A saída foi recorrer à arquitetura mais eficiente do Pentium M, dos notebooks, que deu origem aos projetos Merom e Conroe, lançados em 2006 como Core 2 Duo, em 65 nm.

A AMD aproveitou o momento. Em 2003 lançou o Athlon 64, com a arquitetura AMD64 que estendeu o x86 para 64 bits e acabou adotada pela própria Intel. Em 2005 veio o Athlon 64 X2, primeiro processador de desktop com dois núcleos nativos da empresa. Desde então, o ganho de desempenho passou a vir menos da frequência e mais do número de núcleos.

Novos materiais, novos transistores

Encolher os transistores passou a exigir mudanças radicais. Em 2007, no processo de 45 nm do Penryn, a Intel substituiu o dióxido de silício da porta do transistor por um material à base de háfnio, de alta constante dielétrica, combinado com eletrodos metálicos. Segundo a empresa, a mudança dobrou a densidade de transistores e reduziu em mais de dez vezes o vazamento de corrente pela porta.

A mudança seguinte foi geométrica. Com o Ivy Bridge, de 22 nm, lançado em 2012, a Intel tornou-se a primeira a produzir em escala o transistor tridimensional Tri-Gate, conceito que havia divulgado pela primeira vez em 2002. Em vez de um transistor plano, uma aleta vertical de silício é envolvida pela porta em três lados. A Intel afirmou que a tecnologia oferecia até 37% mais desempenho em baixa tensão, ou menos da metade do consumo com o mesmo desempenho, em relação aos transistores planos de 32 nm. O desenho, conhecido genericamente como FinFET, dominou a indústria pela década seguinte.

A AMD abandona as fábricas

A AMD tomou em 2009 a decisão que definiria seu futuro: separou sua área de fabricação, que deu origem à GlobalFoundries, controlada por um fundo de investimentos de Abu Dhabi. A GlobalFoundries fabricou a primeira geração dos processadores Zen, em 14 nm. Em 2018, porém, a empresa abandonou subitamente o desenvolvimento do processo de 7 nm diante das condições econômicas desfavoráveis, e a AMD passou a produzir na taiwanesa TSMC. A GlobalFoundries não foi a única a desistir: o custo das máquinas de litografia mais avançadas eliminou vários concorrentes da disputa.

A mudança veio com uma inovação de projeto. A partir do Zen 2, em 2019, a AMD passou a montar seus processadores com chiplets: os núcleos de CPU em 7 nm na TSMC e o chip de entrada e saída em 14 nm na GlobalFoundries, dentro do mesmo encapsulamento. A abordagem permite usar o processo mais caro só onde ele faz diferença.

O tropeço da Intel

Enquanto isso, a Intel empacava. A transição de 14 nm para 10 nm atrasou anos, e em julho de 2021 a empresa rebatizou seus processos: o 10 nm Enhanced SuperFin virou Intel 7, e o antigo 7 nm passou a se chamar Intel 4. A razão principal era competitiva: a TSMC dizia estar em 5 nm e 7 nm enquanto a Intel ainda falava em 10 nm, embora as densidades fossem comparáveis. O episódio confirmou o que a indústria já sabia: o número do nó virou um rótulo comercial, sem correspondência com qualquer dimensão física do transistor. O Intel 4 foi o primeiro processo da empresa a adotar plenamente a litografia de ultravioleta extremo (EUV), com luz de 13,5 nm, no lugar da luz de 193 nm usada até então.

A arquitetura ARM chega ao PC

A virada mais simbólica veio da Apple. Em 10 de novembro de 2020, a empresa apresentou o M1, baseado em ARM, primeiro chip de computador pessoal fabricado em 5 nm, com 16 bilhões de transistores. Foi a terceira troca de arquitetura na história do Mac, depois das migrações do Motorola 68000 para o PowerPC e do PowerPC para a Intel. A Apple eliminou o último Mac com processador Intel em junho de 2023.

No mundo Windows, a primeira geração do Snapdragon X, da Qualcomm, equipou em 2024 os primeiros PCs com ARM vendidos como Copilot+, entre eles o Surface Pro 11 e o Surface Laptop 7. No mesmo ano, a Intel entregou o Lunar Lake, provavelmente o primeiro processador de PC da empresa a não ser fabricado em suas próprias fábricas: os blocos principais foram produzidos pela TSMC. O bloco de processamento usou o processo N3B, de 3 nm, e o controlador de plataforma, o N6, de 6 nm.

O cenário em 2026

A Intel tenta retomar a liderança industrial com o processo 18A. Em 5 de janeiro de 2026, na CES, lançou os Core Ultra Series 3, codinome Panther Lake, primeiros processadores para PC fabricados nesse processo. O 18A traz duas novidades: o transistor RibbonFET, no qual a porta envolve o canal por todos os lados (gate-all-around), e o PowerVia, que leva a alimentação elétrica para a face traseira do chip. Segundo a Intel, a combinação oferece 15% mais desempenho por watt. Os chips são fabricados na Fab 52, em Chandler, no Arizona. O documento trimestral da Intel referente ao primeiro trimestre de 2026, porém, informou que a demanda superou a oferta disponível.

A AMD segue na TSMC. Os Ryzen 9000, lançados em 2024 com arquitetura Zen 5, usam chiplets de CPU no processo N4P. A geração seguinte, Zen 6, foi o primeiro projeto enviado para fabricação no processo de 2 nm da TSMC. Em agosto de 2026, o Zen 6 estava confirmado nos processadores de servidor EPYC Venice, mas a AMD ainda não havia divulgado modelos, especificações ou data de lançamento dos Ryzen de consumo.

No campo ARM, a Apple apresentou o M5 em 15 de outubro de 2025, fabricado na terceira geração do processo de 3 nm da TSMC. Em 25 de agosto de 2026, estreou o M6 no novo Mac mini, segundo a imprensa especializada o primeiro chip da empresa em 2 nm. É também o primeiro da Apple com transistores gate-all-around em nanofolhas. A Qualcomm lançou o Snapdragon X2 Elite, em 3 nm, com até 18 núcleos e 5 GHz de frequência máxima, e os notebooks chegaram ao mercado no primeiro semestre de 2026. A novidade mais recente é a Nvidia: em 31 de maio de 2026, a empresa e a Microsoft anunciaram o RTX Spark, que combina uma CPU ARM Grace de 20 núcleos com uma GPU Blackwell, e os primeiros sistemas devem chegar no outono do Hemisfério Norte.

A máquina por trás de tudo

Por trás de cada salto está a litografia, o processo de projetar o desenho do circuito sobre o silício com luz. Durante duas décadas, a indústria usou lasers de fluoreto de argônio com comprimento de onda de 193 nm. Em 2004, a TSMC passou a produzir em 90 nm com litografia de imersão da ASML, na qual uma camada de água entre a lente e o silício permite gravar detalhes menores. Com imersão e múltiplas exposições, a técnica chegou a 32 nm e além.

A etapa seguinte exigiu uma máquina quase de ficção científica. Na litografia EUV, um laser atinge gotículas de estanho aquecidas a cerca de 220 mil graus Celsius para gerar luz de 13,5 nm, que não ocorre naturalmente na Terra, refletida por espelhos entre os mais precisos já fabricados. A holandesa ASML é a única fornecedora mundial dessas máquinas, indispensáveis para produzir os chips de 3 nm e 5 nm. A nova geração, chamada High-NA, eleva a abertura numérica de 0,33 para 0,55, e cada sistema custa cerca de US$ 370 milhões. A Intel vai usá-la no processo 14A.

Em 1971, a Intel gravou 2.300 transistores com traços de 10 micrômetros em lâminas de duas polegadas. Hoje, a capacidade de fabricar os chips mais avançados do mundo depende de uma máquina que a ASML consegue produzir à taxa de cinco ou seis unidades por ano.

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