Como as CPUs são realmente feitas?

Embora a maneira como as CPUs funcionam possa parecer mágica, é o resultado de décadas de engenharia inteligente. À medida que os transistores – os blocos de construção de qualquer microchip – encolhem para escalas microscópicas, a maneira como são produzidos fica cada vez mais complicada.

Fotolitografia

Os transistores são agora tão impossivelmente pequenos que os fabricantes não podem construí-los usando métodos normais. Embora tornos de precisão e até mesmo impressoras 3D possam fazer criações incrivelmente intrincadas, eles geralmente atingem níveis de precisão micrométricos (cerca de um trigésimo milésimo de polegada) e não são adequados para as escalas nanométricas em que os chips atuais são construídos.

A fotolitografia resolve esse problema, eliminando a necessidade de mover máquinas complicadas com muita precisão. Em vez disso, ele usa luz para gravar uma imagem no chip – como um retroprojetor vintage que você pode encontrar nas salas de aula, mas ao contrário, reduzindo o estêncil para a precisão desejada.

A imagem é projetada em um wafer de silício, que é usinado com altíssima precisão em laboratórios controlados, pois qualquer partícula de poeira no wafer pode significar a perda de milhares de dólares. O wafer é revestido com um material chamado fotorresiste, que responde à luz e é lavado, deixando uma corrosão da CPU que pode ser preenchida com cobre ou dopada para formar transistores. Esse processo é então repetido muitas vezes, aumentando a CPU da mesma forma que uma impressora 3D  cria camadas de plástico.

Os problemas com fotolitografia em escala nanométrica

Não importa se você pode fazer os transistores menores se eles realmente não funcionarem, e a tecnologia em escala nano enfrenta muitos problemas com a física. Os transistores devem interromper o fluxo de eletricidade quando estão desligados, mas estão se tornando tão pequenos que os elétrons podem fluir através deles. Isso é chamado de tunelamento quântico e é um grande problema para engenheiros de silício.

Os defeitos são outro problema. Mesmo a fotolitografia tem um limite em sua precisão. É análogo a uma imagem borrada do projetor; não é tão claro quando ampliado ou reduzido. Atualmente, as fundições estão tentando mitigar esse efeito usando luz ultravioleta “extrema” , um comprimento de onda muito maior do que os humanos podem perceber, usando lasers em uma câmara de vácuo. Mas o problema vai persistir à medida que o tamanho diminui.

Os defeitos às vezes podem ser mitigados com um processo chamado binning – se o defeito atingir um núcleo da CPU, esse núcleo é desativado e o chip é vendido como uma parte inferior. Na verdade, a maioria das linhas de CPUs são fabricadas usando o mesmo projeto, mas têm núcleos desativados e vendidos a um preço mais baixo. Se o defeito atingir o cache ou outro componente essencial, esse chip pode ter que ser jogado fora, resultando em um rendimento menor e preços mais caros. Nós de processo mais novos, como 7nm e 10nm , terão taxas de defeitos mais altas e serão mais caros como resultado.

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Empacotando

Embalar a CPU para uso do consumidor é mais do que apenas colocá-la em uma caixa com um pouco de isopor. Quando a CPU termina, ela ainda é inútil, a menos que possa se conectar ao resto do sistema. O processo de “empacotamento” se refere ao método em que a delicada matriz de silício é fixada ao PCB que a maioria das pessoas chama de “CPU”.

Este processo requer muita precisão, mas não tanto quanto as etapas anteriores. A matriz da CPU é montada em uma placa de silício e as conexões elétricas são feitas em todos os pinos que fazem contato com a placa-mãe. CPUs modernas podem ter milhares de pinos, com o AMD Threadripper tendo 4094 deles.

Como a CPU produz muito calor e também deve ser protegida na frente, um “dissipador de calor integrado” é montado na parte superior. Isso faz contato com a matriz e transfere o calor para um resfriador montado na parte superior. Para alguns entusiastas, a pasta térmica usada para fazer essa conexão não é boa o suficiente, o que resulta em pessoas vendendo seus processadores para aplicar uma solução mais premium.

Depois de montado, pode ser empacotado em caixas reais, pronto para chegar às prateleiras e ser encaixado em seu futuro computador. Com a complexidade da fabricação, é uma maravilha que a maioria das CPUs custem apenas algumas centenas de dólares.

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Se você está curioso para aprender ainda mais informações técnicas sobre como as CPUs são feitas, verifique as explicações do Wikichip sobre processos de litografia e microarquitetura .