Processadores e a sua fabricação
Até mudarem o mundo como o conhecemos, os chips passaram por um longo processo evolutivo. Tudo começou com as válvulas, que evoluíram para os transístores, considerados a maior invenção do século.
Fora o preço, os primeiros transístores não foram lá nenhuma revolução sobre as antigas válvulas, tanto que elas sobreviveram durante vários anos depois que os transístores começaram a ser produzidos em escala comercial.
O grande salto veio quando descobriu-se que era possível construir vários transístores sobre o mesmo waffer de silício. Isso permitiu diminuir de forma gritante o custo e tamanho dos computadores. Entramos então na era do microchip.
O primeiro microchip comercial foi lançado pela Intel em 1971 e chamava-se 4004. Como o nome sugere, ela era um processador de apenas 4 bits que era composto por pouco mais de 2000 transístores. Veja uma foto dele abaixo:
De lá pra cá, foi um longo caminho. Enormes investimentos foram feitos e muitos dos maiores gênios do planeta trabalharam em busca de soluções para questões cada vez mais complexas. Veremos agora como os computadores evoluíram, das válvulas ao Athlon e Pentium 4
Chegamos à idéia central deste capitulo que é mostrar como os processadores são fabricados. As ilustrações são cortesia da Intel Corp.
O componente básico para qualquer chip é o waffer de silício que é obtido através da fusão do silício junto com alguns produtos químicos que permitirão sua dopagem posteriormente. Inicialmente são produzidos cilindros, com de 20 a 30 centímetros de diâmetro, que posteriormente são cortados em fatias bastante finas.
Estas “fatias” por sua vez são polidas, obtendo os waffers de silício. A qualidade do waffer determinará o tipo de chip que poderá ser construído com base nele. Para construir um CI com meia dúzia de transístores, pode ser usado um waffer de baixa qualidade, que pode ser comprado a preço de banana de milhares de companhias diferentes. Entretanto, para produzir um processador moderno, é preciso de um waffer de altíssima qualidade, que são extremamente caros, pois poucas companhias tem tecnologia para produzi-los.
Cada waffer é usado para produzir vários processadores, que no final da produção são separados e encapsulados individualmente. Não seria possível mostrar todos os processos usados na fabricação de um processador, mas para lhe dar uma boa idéia de como eles são produzidos, vou mostrar passo a passo a construção de um único transístor. Imagine que o mesmo projeto será repetido alguns milhões de vezes, formando um processador funcional.
Tudo começa com o waffer de silício em seu estado original:
A primeira etapa do processo é oxidar a parte superior do waffer, transformando-a em dióxido de silício. Isto é obtido expondo o waffer a gases corrosivos e altas temperaturas. A fina camada de dióxido de silício que se forma é que será usada como base para a construção do transístor.
Em seguida é aplicada uma camada bastante fina de um material fotosensível sobre a camada de dióxido de silício.
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Usando uma máscara especial, é jogada luz ultravioleta apenas em algumas áreas da superfície. Esta máscara tem uma padrão diferente para cada área do processador, de acordo com o desenho que se pretende obter. A técnica usada aqui é chamada de litografia óptica.
A camada fotosensível é originalmente sólida, mas ao ser atingida pela luz ultravioleta transforma-se numa substância gelatinosa, que pode ser facilmente removida.
Depois de remover as partes moles da camada fotosensível, temos algumas áreas do dióxido de silício expostas, e outras que continuam cobertas pelo que restou da camada:
O waffer é banhado com um produto especial que remove as partes do dióxido de silício que não estão protegidas pela camada fotosensível. O restante continua intacto.
Finalmente, é removida a parte que restou da camada fotosensível. Note que como temos substâncias diferentes é possível remover uma camada de cada vez, ora o dióxido de silício, ora a própria camada fotosensível. Com isto é possível “desenhar” as estruturas necessárias para formar os transístores. Temos aqui pronta a primeira camada. Cada transístor é formado para várias camadas, dependendo do projeto do processador. Neste exemplo, temos um transístor simples, de apenas quatro camadas, mas os processadores atuais utilizam um numero muito maior de camadas, mais de vinte em alguns casos, dependendo da densidade que o fabricante pretende alcançar.
Começa então a construção da segunda camada do transístor. Inicialmente o waffer passa novamente pelo processo de oxidação inicial, sendo coberto por uma nova camada (desta vez bem mais fina) de dióxido de silício. Note que apesar da nova camada de dióxido, o desenho conseguido anteriormente é mantido.
Em seguida é aplicada sobre a estrutura uma camada de cristal de silício. Sobre esta é aplicada uma nova camada de material fotosensível.
Novamente, o waffer passa pelo processo de litografia, desta vez utilizando uma máscara diferente.
Novamente, a parte da camada fotosensível que foi exposta à luz é removida, deixando expostas partes das camadas de cristal de silício e dióxido de silício, que são removidas em seguida.
Como na etapa anterior, o que restou da camada fotosensível é removida. Terminamos a construção da segunda camada do transístor.
Chegamos a uma das principais etapas do processo de fabricação, que é a aplicação das impurezas, que transformarão partes do waffer de silício num material condutor. Estas impurezas também são chamadas de íons. Note que os íons aderem apenas à camada de silício que foi exposta no processo anterior e não nas camadas de dióxido de silício ou na camada de cristal de silício.
à adicionada então uma terceira camada, composta de um tipo diferente de cristal de silício e novamente é aplicada a camada fotosensível sobre tudo.
O waffer passa novamente pelo processo de litografia, usando mais uma vez uma máscara diferente.
As partes do material fotosensível expostas à luz são removidas, expondo partes das camadas inferiores, que são removidas em seguida.
Temos agora pronta a terceira camada do transístor. Veja que a estrutura do transístor já está quase pronta, faltando apenas os três filamentos condutores.
Uma finíssima camada de metal é aplicada sobre a estrutura anterior. Nos processadores atuais, que são produzidos através de uma técnica de produção de 0.13 mícron, esta camada metálica tem o equivalente a apenas 6 átomos de espessura.
O processo de aplicação da camada fotosensível, de litografia e de remoção das camadas é aplicado mais uma vez, com o objetivo de remover as partes indesejadas da camada de metal. Finalmente temos o transístor pronto.
Cada processador é constituído por vários milhões de transístores. Um Pentium II possui pouco mais de 9 milhões de transístores. Um Pentium III Coppermine já possui 22 milhões. Um Athlon Thunderbird possui 35 milhões de transístores, enquanto um Pentium 4 possui incríveis 42 milhões. Graças ao nível de miniaturização que temos atualmente, estas quantidades fabulosas de transístores ocupam uma área muito pequena. Um Athlon Thunderbird por exemplo mede apenas 112 milímetros quadrados. Com isto, um único waffer de silício é suficiente para produzir vários processadores, que são separados no final do processo de fabricação.
Finalmente, os processadores são encapsulados numa estrutura de silício, que os protege e facilita o manuseio e instalação. O formato do encapsulamento varia de processador para processador, na foto abaixo temos um Athlon Thunderbird. Note que a parte central é a própria parte inferior do waffer de silício, exposta para melhorar a dissipação de calor. Não é preciso dizer que qualquer dano neste parte será suficiente para inutilizar o processador.
