Como são produzidos os processadores?

Muito se escuta falar sobre a importância de processadores em boa parte dos equipamentos eletrônicos que utilizamos no nosso dia a dia — e, por mais que todos nós já tenhamos ouvido o nome dessa peça, é comum que tenhamos pouco conhecimento sobre como ela é desenvolvida e instalada nos dispositivos.

Pensando nisso, o Showmetech preparou este especial que explica como os processadores são produzidos — explicando desde suas funções até o processo de criação e fabricação. Confira:

Assista o vídeo no Canal do Showmetech:

Qual a função do processador?

Em uma resposta objetiva, o processador é o componente de um computador que executa as instruções e tarefas que fazem o equipamento funcionar. Ele é responsável por processar os dados e executar as instruções do software, como calcular, armazenar e buscar informações.

Em outras palavras, o processador é o equivalente ao cérebro humano no computador, pois ele realizará diversas funções fundamentais para o funcionamento e permitir que diversas atividades ocorram simultaneamente. A peça é responsável por processar os dados recebidos em formato binário de 0 e 1, e interpreta-os com base nas instruções armazenadas em sua memória interna.

Antigamente, processadores tinham apenas um núcleo. Hoje, no entanto, eles podem ter vários núcleos para lidar de forma mais eficiente com múltiplas informações recebidas simultaneamente. Por exemplo, há processadores Dual-Core (2 núcleos), Quad-Core (4 núcleos), e até mesmo processadores com 32 núcleos como o AMD Ryzen Threadripper 3970X nos computadores de alta-performance.

Assim, um computador consegue realizar várias tarefas ao mesmo tempo, permitindo que você, por exemplo, edite um texto em um programa, ouça música em outro e navegue na internet. O conceito também se aplica aos videogames modernos, que processam não apenas o jogo em si, mas também as interfaces de menus dos consoles, aplicativos de streaming e outros recursos.

A importância do Silício

Você com certeza já ouviu falar no Vale do Silício e sabe que o material é importante para diversos componentes no mundo da tecnologia, porém já parou para pensar sobre o motivo disso? O silício é utilizado como principal componente nos silicones, vidro, cimento, cerâmica, e a razão para seu uso abundante em diversas áreas é justamente sua alta disponibilidade pois é considerado o segundo elemento mais encontrado na superfície da Terra, atrás apenas do oxigênio.

Já na indústria da tecnologia, o motivo pelo qual o silício é tão importante é relacionado com os transistores, peça que possui a função de amplificar uma corrente elétrica ou obstruir a sua passagem, dependendo de sua configuração no circuito.

Toda a base de nossa tecnologia moderna nasce no conceito do transistor criado por John Bardeen e Walter House Brittain em 1947 nos laboratórios da Bell Telephone e, por sua vez, esse dispositivo é feito utilizando o silício.

Além de suas características e disponibilidade, o silício é considerado um elemento fácil para se trabalhar e cientistas descobriram formas de cultivá-los em cristais perfeitamente ordenados, com a produção de cristais de silício quase perfeitos, cortados em pequenas lâminas conhecidas como wafers, sendo fundamental paraa fabricação de chips de computador.

A fabricação dos processadores

Como citamos acima, o wafer de silício é extremamente importante — sendo ele o componente básico para a criação de qualquer chip de processador. Além disso, é de suma importância que ele seja produzido em um local completamente controlado, pois necessita ser composto por silício 99,9999% puro, demandando um processo caro e complicado de ser feito — com cada wafer de 30 centímetros custando mais de US$ 20 mil para empresas como a Intel.

A seguir será representado o processo de fabricação de um transístor individual, sendo impossível representar didaticamente a construção de todos os procedimentos simultaneamente. Entretanto, a técnica para a construção de um processador Core 2 Duo envolve a construção de 291 milhões desses transístores.

A primeira parte do processo consiste na oxidação da camada superior do wafer (1), transformando em dióxido de silício (2) e, a partir disso, essa superfície será a base para a construção do transístor que vai compor o processador. A seguir, uma camada de material fotossensível (3) será aplicada e será feito o processo de litografia que consiste em emitir uma luz ultravioleta em algumas áreas da superfície – sendo esse padrão diferente para cada processador pelo desenho que se deseja obter.

Após a exposição da luz na litografia, partes se transformarão em uma substância gelatinosa que será removida por um banho químico, permanecendo as camadas de áreas do dióxido de silício expostas e as outras que continuam cobertas pela camada fotossensível restante (4). A etapa a seguir é um novo banho químico de compostos diferentes para remover as partes do dióxido de silício não protegidas, permanecendo apenas o que possui a camada que passou pela litografia por cima (5) e, por fim, é removida a parte fotossensível restante, permanecendo apenas a camada de dióxido de silício necessária no desenho da estrutura.

No processo até o momento, foi realizada uma camada do transístor. Entretanto, normalmente um transístor possui diversas camadas dependendo de sua complexidade, então começa a construção de sua segunda camada (7) sendo coberto novamente por dióxido de silício e mantendo o desenho feito anteriormente por baixo. O processo anterior se repete para os processos das imagens no texto em 8, 9, 10 e 11 com a aplicação da camada fotossensível e a remoção por banho químico permanecendo com o dióxido de silício necessário.

No meio desse processo, existe uma etapa de introdução de impurezas (12), que são os íons. Isso será necessário para que o wafer de silício se torne um material condutor e esses íons serão aderidos apenas na camada exposta no processo anterior às camadas de dióxido de silício. O passo a seguir é a aplicação de uma terceira camada utilizando os mesmos conceitos anteriores nas imagem 13, 14, 15 e 16.

Por fim, o processo está quase concluído após a sua terceira camada com uma estrutura elaborada. Então, uma camada fina de metal é aplicada com uma técnica avançada que dispõe uma espessura de apenas 3 átomos (17) e, para concluir, é realizado novamente o processo de litografia para remoção de partes indesejadas no fim do processo (18).

Todo esse processo complexo é realizado simultaneamente para milhares de transístores que vão compor a estrutura interna do nosso processador, sendo que na produção real, são utilizadas máscaras contendo todos os componentes do processador com a construção de suas camadas e, ao final da tarefa, o processador estará completo com toda a sua complexidade.

Miniaturalização

A indústria de tecnologia tem conseguido aumentar a capacidade dos processadores sem aumentar seu tamanho físico, graças à nanotecnologia. Nanotecnologia é um ramo da ciência que se concentra em itens de tamanho nanométrico. Um nanômetro equivale a um milionésimo de milímetro, enquanto um micron equivale a um milésimo de milímetro.

Com a ajuda da nanotecnologia, os transistores dos chips podem ser fabricados em tamanhos cada vez menores. Por exemplo, o processador Intel 486 tinha cerca de 1 milhão de transistores com cerca de 1 micron de tamanho. Já os processadores mais recentes, como o Intel Core 2 Duo, têm aproximadamente 291 milhões de transistores com tecnologia de fabricação de 0,045 micron (45 nanômetros).

A indústria de tecnologia enfrentará um limite físico, onde será impossível diminuir ainda mais os transistores, que já estarão formados por poucos átomos. No entanto, já existem pesquisas sendo realizadas para encontrar uma solução para esse problema. Uma delas é a computação quântica, que não apenas supera os limites físicos dos processadores clássicos, mas também pode revolucionar a computação como um todo.

Encapsulamento e definição dos modelos

Finalizado o processo de litografia e da construção do processador, cada uma das peças será testada utilizando sondas elétricas, permitindo uma energização de cada núcleo. O wafer então será cortado em um processo conhecido como “dicing” para ocorrer o encapsulamento de cada processador com rótulo e diferentes modelos e famílias.

Uma curiosidade é que em geral, fabricantes como AMD e Intel mantêm uma linha de produção para cada processador e as suas diferenças entre eles como um Core Duo de 2.4 GHz e um Core Duo de 2.96 GHz é devido às variações que podem ocorrer na linha de produção. Então é feito um processo de identificação dessas diferenças para adequar cada processador em uma identificação com suas próprias especificações.

E com isso, o processador está finalmente finalizado. Achou o processo interessante? Conte para a gente nos comentários!

Revisão do texto realizada por: Dácio Castelo Branco

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Fonte: Hardware, Semicondutores: Fundamentos, Técnicas e Aplicações e Organização e Projeto de Computadores: a Interface Hardware/software.