Como são fabricados os processadores

Como são fabricados os processadores
Por Oliver Hautsch
Tudo o que o seu computador faz, sem exceção, passa em algum momento pelo seu
processador (ou CPU). Mas você sabe o que é e para que serve esse componente? Pois
bem, é muito fácil fazer uma comparação para que possamos entender melhor a grande
responsabilidade dele. Imagine que você está escrevendo uma carta para a sua avó. Suas
mãos, seus braços e seus dedos não têm vida própria, eles precisam de “alguém” para
comandá-los, e esse alguém é o seu cérebro. Por mais que você faça tarefas simples, que
teoricamente não requerem grandes raciocínios, e aparentemente você nem pense
enquanto as executa, seu cérebro está constantemente enviando ordens para os membros
do seu corpo, para que seja feito o movimento correto da mão, do braço e dos dedos,
resultando assim em uma cartinha sua para um parente, avisando que você fará uma
visita. Os processadores têm exatamente a mesma função, e podem até ser referidos
como o cérebro do computador. Sem processadores, e sem cérebros, não existiriam
computadores, e não existiriam seres humanos.
Neste artigo, mostraremos a imensa tecnologia que é necessária para a criação de um
dispositivo tão pequeno, mas com uma capacidade gigantesca de “raciocínio”, que
muitas vezes é comparada ao cérebro humano.
Gigantes em miniatura - Se você já teve a oportunidade de ver um processador de
perto, deve saber que apesar de vir em uma caixa grande, o processador é um
“quadradinho” minúsculo, que aparentemente é inofensivo e incapaz de executar sequer
operações básicas de matemática. Inofensivo ele realmente é, mas está longe de ser
incapaz. O que muitos não sabem é que, na verdade, o processador não é aquela peça
inteira com centenas de “perninhas”, que é ligada ao conector da placa mãe. Aquilo é só
uma segunda “embalagem” de metal, com o propósito de proteger o real cérebro, que é
ainda menor e tem o tamanho várias vezes menor do que o aparente.
A imagem acima mostra um processador aberto. Repare que a parte externa é bem
maior do que a parte “pensante” do processador, que é somente a área central. E é a
fabricação dela que vamos mostrar, já que as demais partes do dispositivo são peças
eletrônicas comuns (porém de tamanho reduzidíssimo).
Do pó ao pó (ou ao processador)
O subtítulo acima pode parecer estranho. Mais estranhamento você vai ter quando
falarmos onde é encontrada a matéria-prima para a fabricação dos processadores. Nosso
planeta é fonte de milhares de matérias-primas, que servem para a construção de
milhares de tipos diferentes de novos materiais. A areia possui vários tipos de minerais
em sua composição, e um deles é o Silício, que é o principal mineral usado na
fabricação de eletrônicos.
Matéria-prima bruta raramente pode ser utilizada da maneira como é encontrada na
natureza. Assim sendo, o Silício deve ser derretido e filtrado diversas vezes, até chegar
ao grau de pureza requerido pela indústria. Quando o material atinge a qualidade ideal,
ele é chamado de “Electronic Grade Silicon” ou “Silício ao Grau Eletrônico”, que quer
dizer justamente que o composto está pronto para ser utilizado na fabricação do
processador. O grau de pureza atingido é tão grande que para cada bilhão de
átomos, somente um não é de silício, ou seja, o grau de pureza é de 99,9999%. A
imagem abaixo ilustra, à esquerda, o Silício derretido, que é adicionado a uma fôrma e
cresce, tornando-se um bloco de cristal. Depois que o material resfria e endurece, ele é
chamado de “Ingot”. Um bloco Ingot de cristal de Silício pesa aproximadamente 100kg
e possui pureza praticamente absoluta. Depois, com uma lâmina circular, é feito o
fatiamento do Ingot em diversos discos. Todos eles são polidos até que não haja
qualquer imperfeição e a superfície fique completamente lisa.
Um só disco de Silício pode ser usado para fabricar centenas de processadores.
Conforme você ler este artigo, as medidas dos materiais vão diminuindo até chegar
à casa dos nanômetros. Lembre-se que 1 nanômetro é igual a 0,000000001 metro.
Na sequência, é derramado um líquido sobre o disco enquanto ele gira, para que seja
criada uma fina lâmina sensível à luz, para dar acabamento. A lâmina é extremamente
fina devido à velocidade com que o disco gira. O processo é usado para garantir que a
camada fotossensível fique perfeita (fina e totalmente lisa). Em seguida, o resultado é
exposto à luz ultravioleta, fazendo com que haja uma reação química parecida com o
processo de impressão em um filme, quando você tira uma foto.
Porém, ao invés de pessoas em frente à máquina fotográfica, é colocada uma máscara,
que só permite que os raios de luz passem em certos pontos, assim como o filme da
máquina fotográfica é queimado nas partes atingidas pela luz, criando as diferentes
cores, dependendo da intensidade com que a luz incide. A máscara é originalmente
quatro vezes maior do que aquilo que é impresso no disco. Uma lente se encarrega de
reduzir esse tamanho para o do processador.
Você já deve ter visto máscaras usadas para pintar as letras de um texto em determinada
superfície, como vidros ou paredes. Entenda as máscaras usadas na fabricação dos
processadores justamente como as que você já viu no dia a dia. Porém, ao invés de
letras ou desenhos serem impressos, quando usadas em conjunto com a luz ultravioleta,
as máscaras criam os vários “desenhos” dos circuitos em cada camada do processador.
Trocando em miúdos: “o circuito impresso” do processador é criado da mesma
forma que uma foto é impressa em um filme, para depois ser revelada. A diferença
é que, ao invés de as linhas formarem rostos e paisagens, elas formam os finíssimos
caminhos pelos quais os impulsos elétricos passarão
.Transistores - Assim como o seu cérebro é formado por células, também é o
processador. Inclusive, as células de um processador trabalham exatamente como as do
seu cérebro, que é enviando e recebendo impulsos elétricos. O transistor é uma espécie
de controlador, que regula o fluxo de corrente elétrica dentro do chip. A seguir, você
verá como é produzido um só transistor, lembrando que o processador é formado por
milhões deles. Os transistores modernos são tão pequenos que aproximadamente 30
milhões deles podem ocupar o espaço de uma cabeça de alfinete. Depois de aplicada
a luz ultravioleta, o material fotossensível toma a consistência de gelatina e é removido
com solventes. Ou seja, só permanece o que não foi “queimado” pela luz UV, pelo fato
de estar protegido pela máscara. Retirado o material sensível à luz, já é possível ver o
processador tomando forma. Como existem vários compostos diferentes presentes na
peça, cada banho químico é realizado para remover camadas específicas do disco. O
processo é repetido várias vezes, com máscaras diferentes, até que o “desenho” dos
transistores esteja pronto.
Durante a construção do transistor, são bombardeadas impurezas químicas chamadas
íons em uma das camadas. Isso é feito à extrema velocidade de 300 mil km/h e altera a
maneira como o Silício conduz eletricidade. Se você tiver a oportunidade de ver um
processador aberto — que de preferência não seja o do seu computador — perceba
que, ao movê-lo sob a luz, diferentes cores poderão ser vistas, predominando o
rosa, verde e azul. O que você vê é justamente o brilho das diferentes camadas dos
transistores.
Ligando as pontas - Quando um transistor está quase pronto, algumas aberturas feitas
em sua superfície são preenchidas com cobre. O cobre será o responsável por fazer a
ligação de um transistor aos demais. Desta vez, íons de cobre são depositados na
superfície, formando uma fina camada. Por fim, o cobre é polido para que o excesso
seja retirado e a superfície fique perfeita.
Fazendo conexões - No momento, os transistores estão prontos, mas não conseguem se
comunicar, pois não há nada que ligue uns aos outros. Por isso, são criadas diversas
camadas de metal parecidas com fios (por serem muito pequenas) e ligadas aos
transistores. A maneira como os “fios” são ligados aos transistores é definida
dependendo da arquitetura que os desenvolvedores desejam para o processador e que
tipo de funcionalidade ele deverá ter.
Mesmo que pareçam finos e chapados, os processadores podem conter mais de 20
camadas, que formam circuitos extremamente complexos que, através do processo que
descrevemos aqui, funcionam como uma espécie de quebra-cabeças. Se você olhar para
o processador utilizando um microscópio, será possível ver todo um sistema de ligações
que lembra uma cidade inteira, suas ruas, tubulação de água, rede elétrica, etc.
O arremate - Por fim, depois dos últimos testes de funcionamento, o processador é
colocado em cima de uma placa similar à placa-mãe, que fará a interface entre ele e o
restante dos dispositivos ligados ao PC. Sobre o processador é fixada uma placa de
prata, que servirá como dispositivo dissipador de calor, para manter o cérebro do PC
sempre em uma temperatura ideal.
Curiosidades finais - No planeta inteiro, não há nada mais limpo do que uma fábrica de
processadores. Qualquer impureza poderia causar defeitos em uma série inteira de
produtos, causando prejuízos gigantescos. Não existe nada mais complexo e com maior
tecnologia aplicada do que um processador e a sua fabricação.
FONTE: “Making of a Chip”, (da sala de imprensa da Intel Corp.)