quinta-feira, 24 de março de 2011

Memórias magnéticas alcançam velocidade de memórias RAM

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/03/2011

Memórias magnéticas alcançam velocidade de memórias RAM

Esta é uma imagem da célula de armazenamento MRAM, gerada por microscópio eletrônico.[Imagem: PTB]

As memórias flash são um dos maiores sucessos recentes da eletrônica.

Tanto que os engenheiros estão se inspirando em suas vantagens para beneficiar outras aplicações como, por exemplo, a memória dos computadores.

Isto permitira computadores com inicializações quase instantâneas e que não perderiam os dados ao serem desligados.

Memórias magnéticas

É para isso que estão sendo desenvolvidas as memórias de acesso aleatório magnéticas, ou MRAM (Magnetic Random Access Memories).

O grande entrave para a disseminação do uso das MRAM - as memórias magnéticas estão no mercado desde 2005 - é que elas são lentas em relação às memórias RAM tradicionais. Ou, pelo menos, eram.

Cientistas do instituto alemão PTB acabam de criar uma célula de memória magnética que funciona com uma velocidade acima de 2 GHz.

Quando foram lançadas, as MRAM possuíam tempos de resposta na faixa dos 250 nanossegundos. Hoje esse número está na casa dos 2 nanossegundos.

A nova célula agora desenvolvida alcança 0,5 nanossegundo, ou 500 picossegundos de tempo de acesso. Isso corresponde a uma taxa de transferência de 2 Gbits, contra os 400 Mbits alcançados até agora.

Magnetismo espalhado

Os cientistas afirmam que, além dos ganhos na velocidade, a nova memória magnética consome menos energia, aquece menos e tem uma menor taxa de erro, o que sempre foi um grande problemas das MRAM.

Ao contrário das DRAM e SRAM (memórias de acesso aleatório dinâmicas e estáticas), que guardam dados na forma de uma carga elétrica, as MRAM usam o alinhamento magnético das suas células - cada célula corresponde a um bit de informação.

Ao se magnetizar uma célula, contudo, as células adjacentes acabam sendo influenciadas e mudam seu valor, o que gerava taxas de erro inaceitáveis quando se tentava aumentar a velocidade de gravação.

Acionamento balístico

Os cientistas minimizaram esse problema usando uma técnica chamada acionamento balístico do bit.

O pulso magnético usado para gravar o valor de um bit é selecionado de tal forma que a magnetização daquela célula específica executa uma meia-rotação do spin (180°), enquanto as células cujos dados devem ser mantidos intactos executam uma rotação completa (360°).

Nos dois casos, a magnetização fica em estado de equilíbrio após o decaimento do pulso magnético, o que impede excitações magnéticas residuais anômalas.

Em vez de representar um encargo extra, isto significa que vários bits podem ser programados ao mesmo tempo, o que reduziu o tempo de gravação para menos da metade.

Esta é a primeira vez que uma memória magnética alcança temporizações comparáveis com as memórias de acesso aleatório voláteis.

As memórias magnéticas são consideradas um tipo de memória universal porque oferecem, além do armazenamento não volátil, uma alta capacidade de integração, um número virtualmente ilimitado de ciclos de leitura e escrita e, agora, um tempo de acesso bastante rápido.

Fonte: Inovação Tecnológica

Baterias ultra-rápidas poderão ser recarregadas em segundos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/03/2011

Baterias ultrarrápidas poderão ser recarregadas em segundos

O processo de construção da nanoestrutura 3D é composta de vários passos, mas utiliza técnicas já presentes na indústria. [Imagem: Zhang et al.]

Que tal recarregar seu celular em alguns segundos e seu notebook em poucos minutos?

Ou ter um carro elétrico que recarrega completamente em menos de uma hora?

Isso poderá ser possível com uma nova tecnologia de baterias, que está sendo desenvolvida na Universidade de Illinois, nos Estados Unidos.

Baterias e capacitores

O grupo do Dr. Paul Braun criou eletrodos que podem carregar ou descarregar em poucos segundos, de 10 a 100 vezes mais rápido do que o material original.

Isso significa que a nova bateria tanto consegue armazenar uma grande quantidade de energia, quanto liberá-la de forma rápida.

"Esse sistema nos dá uma potência semelhante à dos capacitores, com uma energia semelhante à das baterias," diz o Dr. Braun.

Os capacitores conseguem liberar energia rapidamente, o que os torna adequados para alimentar dispositivos de alta potência - mas eles armazenam pouca energia e precisam ser recarregados constantemente.

As baterias, por sua vez, conseguem armazenar uma grande quantidade de energia, mas essa energia é liberada lentamente, o que as torna inadequadas para alimentar dispositivos de mais alta potência. Force-as além da sua capacidade e elas costumam explodir.

Um dispositivo que mescle as melhores características de cada um desses sistemas de armazenamento de energia pode não apenas representar um salto qualitativo para todos os equipamentos atuais, como viabilizar novas aplicações, como os carros elétricos.

Filmes finos

Os pesquisadores desenvolveram uma nanoestrutura tridimensional para o material usado como catodo nas baterias.

Eles fizeram isto superando um outro trade-off, este presente na tecnologia atual das baterias.

O desempenho das baterias de íons de lítio (Li-íon) ou de hidreto metálico de lítio (NiMH) degrada-se muito quando elas são carregadas e descarregadas rapidamente.

A velocidade de carregamento e descarregamento pode ser aumentada drasticamente fabricando os catodos na forma de filmes bem finos - mas, ao reduzir a área disponível para guardar a energia, diminui ainda mais drasticamente a capacidade de armazenamento da bateria.

O grupo do Dr. Braun dobrou os filmes finos em uma estrutura tridimensional, alcançando simultaneamente um grande volume ativo de material - capaz de guardar muita energia - e grande capacidade de corrente.

O resultado é uma bateria que pode recarregar e liberar sua energia até 100 vezes mais rápido do que as baterias atuais.

Possibilidades futuras

Segundo os pesquisadores, todos os processos usados por eles no laboratório já são utilizados pela indústria, o que permitirá que a tecnologia seja levada para escala industrial muito rapidamente.

Se o rendimento apresentado em escala laboratorial for mantido em escala industrial, pode-se prever celulares sendo carregados em alguns segundos e carros elétricos que não precisarão ficar a noite toda ligados à tomada.

O Dr. Braun cita também a possibilidade de uso das baterias em desfibriladores mais eficientes e capazes de salvar mais vidas, que não exigirão que os profissionais fiquem esperando o carregamento entre os pulsos.

Bibliografia:
Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes
Huigang Zhang, Xindi Yu, Paul V. Braun
Nature Nanotechnology
20 March 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2011.38

Fonte: Inovação Tecnológica

Rumo a uma Economia Verde: Caminhos para o Desenvolvimento Sustentável

Guilherme Gorgulho - Inovação Unicamp - 23/03/2011

Economia verde

A busca de um novo modelo econômico de baixo carbono, baseado no melhor aproveitamento dos recursos naturais, exigirá um investimento anual de mais de US$ 1,3 trilhão, ou 2% do Produto Interno Bruto (PIB) mundial, em dez setores estratégicos, até a metade do século XXI.

O relatório Rumo a uma Economia Verde: Caminhos para o Desenvolvimento Sustentável e a Erradicação da Pobreza, divulgado pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), mensura o peso que as políticas públicas terão no fomento de novas tecnologias nos próximos 40 anos e atribui à iniciativa privada a maior parte da responsabilidade desse investimento.

Segundo o PNUMA, políticas adotadas nas últimas três décadas para garantir um crescimento econômico aliado à eficiência energética e ao menor consumo de recursos naturais produziram resultados "modestos demais" em termos de promoção da transição para a chamada "economia verde".

A ONU defende a necessidade de investimentos intensivos nas áreas de agricultura, indústria, energia, água, edifícios, gestão de resíduos, pesca, silvicultura, turismo e transportes.

O relatório indica que o crescimento mundial da economia nesse cenário mais "verde" seria maior do que o registrado no atual modelo econômico, apesar do conceito disseminado que opõe desenvolvimento a sustentabilidade ambiental.

"Em uma transição para uma economia verde, serão criados novos empregos que, ao longo do tempo, superarão as perdas de empregos da economia marrom [de alta emissão de carbono]", diz o documento.

Menos subsídios para a economia marrom

Desse montante de US$ 1,3 trilhão, a maioria dos recursos deverá ser oriunda do capital privado, apesar do importante papel atribuído ao setor público na definição de políticas de fomento dessas tecnologias.

Cabe aos governos, de acordo com o documento, principalmente direcionar os esforços para fomentar o aprimoramento dos setores-chave e redimensionar estratégias que estimulam financeiramente segmentos ligados à economia de alta emissão de carbono. "Corrigir subsídios onerosos e prejudiciais em todos os setores abriria espaço fiscal e liberaria recursos para a transição para uma economia verde." O PNUMA calcula que o fim dos subsídios destinados a apenas quatro setores (energia, água, pesca e agricultura) traria uma economia anual de 1% a 2% do PIB global.

Um dos exemplos, diz o texto, são os subsídios destinados à produção e comercialização de combustíveis fósseis, que superaram a marca de US$ 650 bilhões em 2008, o que desestimula uma mudança de matriz energética para os recursos renováveis.

"O uso de ferramentas como impostos, incentivos fiscais e licenças negociáveis para promover investimentos e inovações verdes também é essencial, assim como o investimento em capacitação, treinamento e educação", explica o documento.

Emergência verde

Mesmo estando aquém do ritmo desejado, de acordo com o PNUMA, a transição para o modelo da "economia verde" ocorre em "escala e velocidade nunca antes vistas".

O segmento de energia limpa é um dos que mais crescem; a previsão é de que investimentos mundiais no setor tenham aumentado 30% no último ano, passando de US$ 186 bilhões em 2009 para US$ 243 bilhões em 2010.

O PNUMA destaca que países não membros da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE), como Brasil, China e Índia, têm-se sobressaído, ampliando sua participação mundial em investimentos em energia renovável de 29% em 2007 para 40% em 2008.

Os autores de Rumo a uma Economia Verde atribuíram ao setor de energia o maior montante, US$ 362 bilhões (27%), do total de recursos de US$ 1,347 trilhão a ser investido anualmente. O segundo segmento que deve receber mais recursos é o de transportes, com US$ 194 bilhões (14%).

Na sequência, aparecem os setores de edifícios e turismo (US$ 134 bilhões ou 10% cada um), agricultura, água, gestão de resíduos e pesca (US$ 108 bilhões ou 8% cada um), indústria (US$ 76 bilhões ou 6%) e silvicultura (US$ 15 bilhões ou 1%).

Biomassa brasileira

O desempenho do Brasil nos biocombustíveis ganha relevo no capítulo de energia renovável.

O bioetanol produzido no País é destacado como uma das duas únicas opções comercialmente maduras para a geração energética entre as fontes renováveis do mundo, ao lado da energia hidrelétrica produzida em grandes represas, que supre 16% da demanda do mundo.

"Em termos de utilizações sustentáveis de biomassa, a produção de combustíveis para transporte baseados em bioetanol no Brasil já é uma tecnologia comercialmente madura", informa o texto, em comparação com outras tecnologias promissoras para a geração de energia limpa, como a eólica, considerada ainda nas fases de implantação e difusão no mundo.

Economicamente o segmento de energia renovável ganha cada vez mais destaque, tendo empregado direta ou indiretamente mais de 2,3 milhões de pessoas no planeta, segundo balanço feito em 2006 e citado no relatório.

O Brasil é o segundo país do mundo que mais emprega nesse setor, com cerca de 500 mil trabalhadores, o que representa 20,7% de toda mão-de-obra envolvida no segmento no mundo.

Sustentabilidade na construção civil

O relatório divide as áreas estratégicas de investimento em capítulos, que foram organizados por especialistas das diversas áreas e de várias partes do mundo.

O capítulo sobre edifícios e construção civil foi coordenado por três especialistas, entre eles a arquiteta brasileira Joana Carla Soares Gonçalves, professora da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, onde atua no Departamento de Tecnologia da Arquitetura, no Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética. Desde 2009, ela também é professora orientadora do Programa de Pós-Graduação Energia e Ambiente da Architectural Association Graduate School, em Londres.

Joana coordenou a equipe de autores em parceria com os pesquisadores Philipp Rode e Ricky Burdett, da London School of Economics, em Londres, e também redigiu textos com definições de conceitos, sobre a importância da inserção do projeto arquitetônico no contexto climático, do conforto ambiental, do emprego de materiais e das vantagens de reabilitação de prédios.

Em entrevista por e-mail a Inovação, a professora da USP, que está em Londres, aponta o papel fundamental do uso da tecnologia na construção civil para a constituição de edifícios "mais verdes" e diz que o foco do relatório é nas inovações que busquem a economia de energia, destacadas dentro do tópico "Oportunidades".

"No entanto, eu gostaria de destacar que tecnologia, no que tange aos sistemas prediais, é só um fator dentre outros que colocamos sucintamente. Definitivamente, o foco não está só na tecnologia, mas no edifício como um todo, incluindo seus ocupantes", afirmou Joana.

O relatório da UNEP, detalha a professora, tem como objetivo fornecer informações para os agentes tomadores de decisão de todo o mundo, abordando desafios, oportunidades e instrumentos, mas principalmente mensurando os impactos e as vantagens econômicas dessa transição. "É importante destacar também que, de uma maneira geral, ainda temos poucos dados quantitativos disponíveis sobre os custos e as vantagens econômicas de edifícios de menor impacto ambiental, em diferentes partes do mundo", esclarece Joana. "Achar esses números para montar nosso argumento a favor de edifícios mais verdes foi um grande desafio", diz a autora, acrescentando que mesmo assim a equipe teve êxito na construção da base de argumentos, com dados e fatos convincentes.

Relatórios técnicos

Segundo a professora da USP, o documento "Rumo a uma Economia Verde" não foi proposto para ser uma publicação técnica, mas sim informativa. No entanto, ele será desdobrado em relatórios técnicos que desenvolverão em detalhes as questões principais de cada um dos capítulos.

Joana contribuirá para os relatórios do PNUMA sobre edifícios abordando temas como a conscientização e inserção econômica dos edifícios de menor impacto ambiental.

Joana Gonçalves afirma que não há no Brasil uma valorização suficiente da etapa de projeto dentro da construção civil; para ela, os projetos devem ser mais "inteligentes" e contemplar todos os aspectos do impacto ambiental, como os materiais, o conforto dos usuários e o melhor aproveitamento dos recursos naturais, como luz e ventilação. "O arquiteto tem que conhecer mais e melhor todas as questões de desempenho ambiental, assim como os engenheiros de todas as naturezas precisam entender melhor os vários aspectos do desempenho ambiental dos projetos arquitetônicos e da construção para pensar as soluções tecnológicas."

Prédios novos x prédios requalificados

O setor da construção civil responde por mais de um terço do consumo de recursos do planeta, o que inclui 12% do consumo mundial de água doce, além de gerar 40% de todos os resíduos sólidos do mundo, de acordo com o PNUMA.

Duas abordagens diferentes devem ser empreendidas para tornar o setor mais "verde", de acordo com o relatório. Nos países desenvolvidos, as principais oportunidades estão na requalificação dos prédios existentes, para torná-los ambientalmente mais eficientes por meio de intervenções que reduzam o consumo de energia e incluam o uso de fontes renováveis. Já nos países não membros da OCDE, diz o documento, o déficit habitacional abre mais possibilidades para a exploração de novas gerações de construções com designs inovadores e novos padrões de desempenho.

"No entanto, deve ser considerado que, em muitos casos, o que já projetamos nos últimos 50 anos ou mais, principalmente nas grandes cidades como São Paulo, Rio de Janeiro e outras, representa um estoque edificado significativo que precisa ser recuperado e reutilizado, visando também um menor impacto ambiental", pondera a professora. "Esse ponto é bem reforçado no relatório; definitivamente, não é somente sobre o novo, mas também sobre o já existente."

Para Joana, um fator que favorece o Brasil é o clima ameno, que possibilita construir prédios mais eficientes, com menor consumo de energia e impacto ambiental reduzido. Mas para isso, diz ela, é necessário investir mais em projetos e compreender melhor o papel dos usuários.

Fonte: Inovação Tecnológica

terça-feira, 22 de março de 2011

Quem vai programar os computadores quânticos?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/03/2011

Quem vai programar os computadores quânticos?

"Se você quiser fazer uma simulação da natureza, é melhor fazê-lo com a mecânica quântica, e, uau, isso é um problema maravilhoso, porque ele não parece nada fácil." [Richard Feynman][Imagem: Temme et al./Nature]

Computação revolucionária

Os promissores computadores quânticos estão se mostrando mais difíceis de serem conquistados do que se imaginava a princípio.

Por outro lado, uma vez construídos, parece que sua utilização será muito mais revolucionária do que se previa.

É comum referir-se aos computadores quânticos como uma nova geração, por assim dizer, de "super supercomputadores", capazes de fazer tudo o que os computadores clássicos atuais fazem, só que mais rapidamente.

Mas não é só isso. Os computadores quânticos estão para a computação clássicos assim como a mecânica quântica está para a mecânica clássica.

E coisas muito estranhas - mas extremamente úteis sob todos os aspectos - ocorrem no mundo quântico.

Programação quântica

Em um computador clássico, o programador se preocupa em ver se cada bit tem valor 0 ou 1. Em um computador quântico um bit quântico, ou qubit, pode representar 0 e 1 ao mesmo tempo - dois qubits podem representar quatro valores simultaneamente, três qubits oito, e assim por diante.

Se, de um lado, inúmeras equipes ao redor do mundo estão tentando entender os princípios fundamentais que permitirão a construção dos processadores quânticos, algumas equipes já começam a se preocupar em como fazer programas para eles.

Só em 2009 foi construído o primeiro processador quântico programável - mas rodar algumas rotinas lógicas é uma coisa, e construir um algoritmo quântico completo é outra muito diferente.

Não é que a tarefa seja apenas difícil: ela parece desafiar a maneira comum de pensar.

Por exemplo, usando o fenômeno da superposição, cientistas demonstraram que um programa quântico pode encontrar uma informação em uma base de dados sem nem mesmo precisar rodar o programa:

Simulações quânticas

E os computadores quânticos estão se tornando uma necessidade, conforme a ciência cresce em compreensão e usa cada vez mais intensamente os fenômenos em escala quântica.

A simulação de fenômenos quânticos - por meio da solução das equações de muitos corpos de Schrodinger - tem aplicações no desenvolvimento de novos medicamentos e no entendimento dos supercondutores, por exemplo.

Mas, usando os computadores atuais, as equações de muitos corpos de Schrodinger só podem ser resolvidas para não muitos corpos.

E os resultados são apenas aproximações, e os cientistas querem chegar mais perto nessas aproximações, e avançar para problemas mais complexos, por exemplo, tentando compreender a fotossíntese, de forma a criar mecanismos de fotossíntese artificial que poderão resolver o problema energético do mundo.

Um problema maravilhoso

E computação quântica também não é computação paralela acelerada.

Há um problema fundamental quando se tenta simular a mecânica quântica em um computador clássico: o chamado "problema do sinal".

Nos cálculos da mecânica quântica, deve-se levar em conta não apenas as probabilidades, mas a amplitude das probabilidades - e essas amplitudes podem se tornar negativas.

Richard Feynman chamava tudo isso de "um problema maravilhoso":

"Eu não estou feliz com todas as análises que usam apenas a teoria clássica, porque a natureza não é clássica, caramba. E se você quiser fazer uma simulação da natureza, é melhor fazê-lo com a mecânica quântica, e, uau, isso é um problema maravilhoso, porque ele não parece nada fácil."

Quem vai programar os computadores quânticos?

Quem enfrentará o problema maravilhoso de programar os computadores quânticos? Ou de escrever um Assembly Quântico? Ou um C Quântico? [Imagem: VCQ/Vienna University]

Metropolis quântico

Agora, trinta anos depois dessa afirmação de Feynman, um grupo de físicos teóricos da Áustria, Canadá e Alemanha, demonstrou que, de fato, as alterações de um sistema quântico podem ser reproduzidas em um computador quântico universal.

Para isso, eles criaram uma versão quântica do clássico algoritmo clássico Metrópolis.

Esse algoritmo foi desenvolvido por Nicholas Metropolis em 1953 e permaneceu como uma curiosidade até o advento dos computadores.

A versão clássica do algoritmo de Metropolis utiliza mapas estocásticos que, ao longo de inúmeras iterações, convergem para um estado de equilíbrio. Incluído no chamado Método Monte Carlo, este é um dos algoritmos mais utilizados hoje na Física para obter os valores esperados de um sistema que se está simulando.

Para criar a versão quântica do algoritmo de Metropolis, a equipe usou apenas mapas completamente positivos, em vez de amplitudes de probabilidade. Isso traz problemas, como erros nos cálculos quando se introduzem transições de fase quânticas.

Ainda assim, a implementação do algoritmo quântico poderá ter aplicações importantes nos campos da química, da física da matéria condensada, da física de altas energias e também para resolver as equações de Schrodinger para sistemas mais complexos, nos quais interagem muitas partículas.

"Ainda que uma implementação desse algoritmo para problemas quânticos de muitos corpos em larga escala esteja fora do alcance com os meios tecnológicos de hoje, o algoritmo é escalável para tamanhos de sistema que são interessantes para simulações físicas reais," afirmam os pesquisadores.

Programadores quânticos

O que se deve destacar, contudo, é que o grupo demonstrou que o esforço para a construção do hardware dos computadores quânticos será bem pago: um computador quântico, usando esse algoritmo, poderá ser usado para resolver os "problemas maravilhosos" de Feynman exponencialmente mais rápido do que os computadores atuais.

E soluções completas para as equações de Schrodinger finalmente estarão ao alcance, caramba.

No futuro, o artigo que descreve a criação do Metropolis Quântico talvez seja lembrado como um marco na programação dos computadores quânticos.

O que nos faz perguntar: quem enfrentará o problema maravilhoso de programar os computadores quânticos? Ou de escrever um Assembly Quântico? Ou um C Quântico?

O fato é que Feynman parece continuar com a razão: não parece fácil.

Bibliografia:
Quantum Metropolis sampling
K. Temme, T. J. Osborne, K. G. Vollbrecht, D. Poulin, F. Verstraete
Nature
03 March 2011
Vol.: 471, pp. 87-90
DOI: 10.1038/nature09770
Simulating physics with computers
Richard P. Feynman
International Journal of Theoretical Physics
1982
Vol.: 21, Numbers 6-7, 467-488
DOI: 10.1007/BF02650179

Fonte: Inovação Tecnológica