Explicado: GaN (Nitreto de Gálio) e o futuro da tecnologia que ele abriga

Nos últimos anos, o espaço tecnológico viu um aumento na adoção de soluções de carregamento rápido. Seja em um smartphone, tablet ou até mesmo laptop, os carregadores rápidos estão se tornando onipresentes. Embora a totalidade dessas ofertas seja baseada em silício, a tecnologia subjacente está começando a evoluir para algo mais poderoso, eficiente e compacto. Tudo isso depende fortemente do GaN (Nitreto de Gálio), um material semicondutor que surgiu na década de 90 e, desde então, tem sido continuamente pesquisado e visto como um potencial substituto para o Silício — sem mencionar uma forma de alcançar sistemas mais poderosos e eficientes com uma pegada menor. Para entender melhor o que é o GaN e como ele pode conter o futuro da tecnologia nos próximos anos, aqui está uma explicação.

A era do Silício

Uma rápida introdução sobre o estado atual da tecnologia: desde a criação de sistemas computacionais complexos, a tecnologia central subjacente, que forma uma estrutura para esses sistemas, tem gradualmente visto mudanças e avanços que trouxeram o poder computacional moderno ao que é hoje — mantendo-se suprema para diversas demandas.

Atualmente, a maioria das pessoas estaria ciente de que o essencial primário em sistemas modernos, sejam computadores, smartphones ou outros dispositivos eletrônicos modernos, é o Silício (Si). Um material semicondutor que substituiu soluções de gerações anteriores, como o tubo de vácuo, graças às suas propriedades elétricas superiores. Embora, em grande parte, a maioria dos circuitos, placas-mãe e outros componentes eletrônicos encontrados em vários dispositivos usem Silício em seu núcleo, o material que já foi popular está agora se aproximando de seu ponto de saturação.

Para aqueles que não sabem, a Lei de Moore, que sugere que o número de transistores em um chipset dobra a cada dois anos (enquanto o custo é reduzido pela metade), e retrata com precisão o crescimento da computação moderna, está se aproximando de seu fim. O que isso essencialmente significa é que, atualmente, os cientistas da computação parecem ter alcançado os limites potenciais do Silício (particularmente com MOSFETs baseados em Silício), onde não parece plausível trazer avanços e melhorias significativas à mesa ou corresponder à lei de Moore. No entanto, a busca de longa data por uma alternativa ao Silício, que não seja apenas equivalente, mas superior em algumas instâncias, levou à descoberta de um novo material semicondutor, GaN ou Nitreto de Gálio.

O que é GaN e quais vantagens ele possui sobre o Silício?

GaN ou Nitreto de Gálio é um composto químico que apresenta propriedades semicondutoras, cujos estudos datam da década de 90. Durante esse período, o composto começou sua jornada em componentes eletrônicos com LEDs e, posteriormente, encontrou seu caminho em players de Blu-ray. Desde então, o GaN tem sido utilizado na fabricação de transistores, diodos e alguns outros componentes. E, portanto, pelo que parece, o material parece estar se aproximando de substituir o Silício em diferentes verticais.

Um dos fatores que distinguem (e mais importantes) que separam o GaN do Silício é uma largura de banda maior, que é diretamente proporcional a quão bem a eletricidade passa através de um material. Para dar um contexto, a largura de banda oferecida pelo GaN é de 3,4 eV, que, em comparação com os 1,12 eV do Silício, é notavelmente mais ampla. Como resultado, o GaN pode, essencialmente, suportar níveis de tensão mais altos do que o Silício e pode transferir energia a velocidades mais rápidas. Quando se trata de segurança, o GaN consegue reduzir o calor dissipado melhor do que o Silício, o que expande ainda mais o escopo para soluções de carregamento que agora podem ser rápidas e seguras. Simplificando, o que essas vantagens implicam é que o GaN pode oferecer velocidades de processamento mais rápidas do que o Silício, enquanto é eficiente em termos de energia, mantendo um fator de forma relativamente menor e mantendo o custo muito mais baixo.

Uma razão por trás da queda no custo de produção está relacionada ao fato de que os componentes de GaN usarão os mesmos procedimentos de fabricação de silício que são usados na fabricação de componentes existentes baseados em Silício para sua produção. No entanto, neste ponto, você pode notar que os dispositivos de GaN, por exemplo, adaptadores de carregamento baseados em GaN, estão atualmente com preços ligeiramente mais altos do que seus equivalentes de Silício. Isso ocorre porque o custo de fabricação está sempre no lado mais alto quando você precisa produzir componentes ou dispositivos em pequenas quantidades, ao contrário de instâncias em que a fabricação ocorre em massa, o que reduz significativamente o custo de produção. Portanto, uma vez que começarmos a ver um aumento na adoção do GaN em vários componentes eletrônicos e tecnologias relacionadas, o custo final do produto final seria consideravelmente menor do que as ofertas do Silício.

No entanto, isso não quer dizer que o GaN pode substituir prontamente o Silício completamente. Uma vez que, no final das contas, tudo se resume ao cenário de uso e às necessidades de um sistema. Por exemplo, o GaN pode não ser uma escolha ideal para sistemas que, digamos, têm limites de baixa temperatura ou não requerem transferências de energia mais rápidas. E, portanto, o Silício ainda será relevante em tais sistemas.

Onde o GaN está (e pode ser) utilizado?

A tecnologia GaN em breve testemunhará uma imensa adoção no espaço da tecnologia de carregamento. À medida que os smartphones pressionam por soluções de carregamento mais rápidas em suas últimas ofertas, e os clientes parecem apreciá-las, estamos nos aproximando de um ponto em que mais e mais fabricantes estão buscando adotar o GaN em vez do Silício. Isso obviamente significa que os próximos carregadores para seus laptops, tablets ou até mesmo smartphones oferecerão mais potência (~ 65W), carregarão dispositivos rapidamente e terão um tamanho compacto, além de serem seguros para uso. Alguns dos carregadores baseados em GaN atualmente disponíveis de fabricantes de acessórios de terceiros incluem os de marcas populares como RAVPower, Aukey e Anker, para citar algumas.

Embora, atualmente, a adoção do GaN não seja revolucionária, certamente parece promissora nos próximos anos. Para começar, você pode esperar que o GaN faça seu caminho lentamente para o avanço e a melhoria da rede 5G, que alguns especialistas sugerem que pode ajudar melhor com frequências sub-6GHz e mmWave. Sem mencionar a necessidade de aumentar a eficiência energética da rede, que a tecnologia GaN parece oferecer melhor do que seus equivalentes. Embora o caso de uso do GaN para 5G seja bastante diversificado, estamos apenas arranhando a superfície nesta discussão. No entanto, vale a pena mencionar que o tipo de velocidades de conexão e cobertura que se espera com as redes 5G requer algo semelhante ao que o GaN promete.

Da mesma forma, outro domínio que o potencial do GaN pode ajudar na melhoria e avanço, e por sua vez, substituir o Silício, são componentes eletrônicos como transistores e amplificadores. Sem mencionar, dispositivos optoeletrônicos, incluindo lasers, LEDs e alguns outros dispositivos eletrônicos, que estão vendo muito potencial no GaN. Recentemente, pesquisadores também descobriram as potenciais vantagens de usar GaN em carros autônomos, que dependem fortemente de LiDAR (Detecção e Medição de Luz) para medir distâncias entre diferentes objetos.

O que impede o GaN de entrar no mainstream?

Embora, em grande medida, a tecnologia GaN certamente pareça promissora quando se trata de oferecer mais energia e velocidades mais rápidas a um custo reduzido e tamanho compacto, ainda existem muitas incertezas e complexidades que precisam ser abordadas, que o impedem de substituir o Silício em várias verticais. A maior delas está relacionada à sua adoção no desenvolvimento de MOSFETs que competem de igual para igual, se não melhor, do que os baseados em Silício. No entanto, estudos para encontrar uma maneira de fazer o GaN produzir MOSFETs e outros campos estão sendo realizados para o aprimoramento do futuro da tecnologia nos últimos anos. Portanto, não deve demorar muito até começarmos a ver o GaN fazendo seu caminho em produtos de consumo mainstream.