Como a areia se torna silício? Fabricação de CPU explicada

O mundo funciona com informações, com a humanidade criando cerca de 2,5 milhões de terabytes de dados por dia. No entanto, todos esses dados são inúteis a menos que possamos processá-los, então, sem dúvida, uma das coisas sem as quais o mundo moderno não pode viver são os processadores.

Mas como é feito um processador? Por que é uma maravilha moderna? Como um fabricante pode colocar bilhões de transistores em um pacote tão pequeno? Vamos nos aprofundar em como a Intel, uma das maiores fabricantes de chips do mundo, cria uma CPU a partir da areia.

Extraindo Silício da Areia

O ingrediente base de qualquer processador, o silício, é extraído da areia do deserto. Este material é encontrado em abundância na crosta terrestre e consiste em cerca de 25% a 50% de dióxido de silício. É processado para separar o silício de todos os outros materiais na areia.

O processamento se repete várias vezes até que o fabricante crie uma amostra 99,9999% pura. O silício purificado é então derramado para formar um lingote cilíndrico de grau eletrônico. O diâmetro do cilindro é de 300 mm e pesa cerca de 100 kg.

O fabricante então corta o lingote em wafers de 925 micrômetros de espessura. Depois, é polido para um acabamento espelhado, removendo todas as falhas e manchas em sua superfície. Esses wafers acabados são então enviados para a fábrica de fabricação de semicondutores da Intel para transformação de uma placa de silício em um cérebro de computador de alta tecnologia.

A Rodovia FOUP

Como os processadores são peças de alta precisão, sua base de silício puro não deve ser contaminada antes, durante ou após a fabricação. É aqui que entram os pods unificados de abertura frontal (FOUPs). Essas cápsulas automatizadas comportam 25 wafers por vez, mantendo-as seguras e protegidas em um espaço ambientalmente controlado ao transportar as wafers entre as máquinas.

Além disso, cada wafer pode percorrer as mesmas etapas centenas de vezes, às vezes indo de uma extremidade do edifício à outra. Todo o processo está embutido nas máquinas para que a FOUP saiba para onde ir em cada etapa.

Além disso, os FOUPs viajam em monotrilhos pendurados no teto, permitindo que eles levem a peça mais rápida e eficiente de uma etapa de fabricação para outra.

Fotolitografia

O processo de fotolitografia usa um fotorresistente para imprimir padrões no wafer de silício. Photoresist é um material resistente e sensível à luz semelhante ao que você encontra no filme. Uma vez aplicado, o wafer é exposto à luz ultravioleta com uma máscara do padrão do processador.

A máscara garante que apenas os locais que desejam processar sejam expostos, deixando assim o fotorresistente nessa área solúvel. Uma vez que o padrão é totalmente impresso no wafer de silício, ele passa por um banho químico para remover o fotorresistente exposto, deixando um padrão de silício nu que passará pelas próximas etapas no processo.

Implantação iónica

Também conhecido como dopagem, esse processo incorpora átomos de diferentes elementos para melhorar a condutividade. Uma vez concluída, a camada fotorresistente inicial é removida e uma nova é colocada para preparar o wafer para a próxima etapa.

Gravura

Após outra rodada de fotolitografia, a pastilha de silício segue para a gravação, onde os transistores do processador começam a se formar. Photoresist é aplicado nas áreas onde se deseja que o silício permaneça, enquanto as partes que devem ser removidas são quimicamente atacadas.

O material restante lentamente se torna os canais dos transistores, onde os elétrons fluem de um ponto a outro.

Deposição de Material

Uma vez que os canais foram criados, o wafer de silício retorna à fotolitografia para adicionar ou remover camadas de fotorresistência conforme necessário. Segue-se então para a deposição do material. Várias camadas de diferentes materiais, como dióxido de silício, silício policristalino, dielétrico de alto k, diferentes ligas metálicas e cobre são adicionados e gravados para criar, finalizar e conectar os milhões de transistores no lasca.

Planarização Mecânica Química

Cada camada do processador sofre planarização mecânica química, também conhecida como polimento, para aparar o excesso de materiais. Uma vez que a camada superior é removida, o padrão de cobre subjacente é revelado, permitindo que o fabricante crie mais camadas de cobre para conectar os diferentes transistores conforme necessário.

Embora os processadores pareçam incrivelmente finos, eles geralmente têm mais de 30 camadas de circuitos complexos. Isso permite que ele forneça o poder de processamento exigido pelos aplicativos atuais.

Testando, fatiando e classificando

Uma pastilha de silício pode passar por todos os processos acima para criar um processador. Uma vez que a pastilha de silício completa essa jornada, ela começa a ser testada. Esse processo verifica cada peça criada no wafer quanto à funcionalidade - se funciona ou não.

Uma vez feito, o wafer é então cortado em pedaços chamados de matriz. Em seguida, é classificado, onde as matrizes que funcionam passam para a embalagem e as que falham são descartadas.

Transformando a matriz de silício em um processador

Esse processo, chamado de embalagem, transforma matrizes em processadores. Um substrato, normalmente uma placa de circuito impresso, e um dissipador de calor são colocados na matriz para formar a CPU que você compra. O substrato é onde a matriz se conecta fisicamente à placa-mãe enquanto o dissipador de calor faz interface com o seu Ventilador de resfriamento DC ou PWM da CPU.

Testes e Controle de Qualidade

Os processadores completos são testados novamente, mas desta vez para desempenho, potência e funcionalidade. Este teste determina que tipo de chip será— se é bom ser um Processador i3, i5, i7 ou i9. Os processadores são então agrupados de acordo para embalagem de varejo ou colocados em bandejas para entrega aos fabricantes de computadores.

Microscopicamente pequeno, mas imensamente complicado

Embora os processadores pareçam simples do lado de fora, eles são imensamente complicados. A fabricação do processador leva de dois e meio a três meses de processos 24 horas por dia, 7 dias por semana. E apesar da engenharia altamente precisa por trás desses chips, ainda não há garantia de que eles obterão um wafer perfeito.

Na verdade, os fabricantes de processadores podem perder algo entre 20% e 70% das matrizes em um wafer devido a imperfeições, contaminantes e muito mais. Este valor é ainda mais impactado por processos de CPU cada vez menores, com a chips mais novos chegando a 4nm.

No entanto, como afirma a Lei de Moore, ainda podemos esperar que o desempenho do processador dobre a cada dois anos até 2025. Até que os processadores atinjam o teto fundamental do tamanho do átomo, todos esses processos de fabricação devem lidar com os projetos para produzir o chip que exigimos.

O que é a lei de Moore e ainda é relevante em 2022?

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