TechTudo

22/11/2012 07h30 - Atualizado em 22/11/2012 07h30

Por dentro do processador

B. Piropo
por
Para o TechTudo

Na coluna anterior vimos o que é um processador e em que ele difere dos circuitos integrados comuns. Hoje vamos ver como eles são por dentro e qual a tecnologia usada para fabricá-los. Antes de prosseguir, porém, há que citar que a grande maioria das imagens usadas para ilustrar esta coluna foi obtida no sítio da Intel, líder mundial em fabricação de processadores, mais especificamente na página “From Sand to Silicon – the Making of a Chip”.

Agora, ao trabalho.

O primeiro passo da fabricação de um processador é o projeto do circuito eletrônico. Um passo extraordinariamente complexo, posto que além dos problemas relativos à eletrônica propriamente dita, será necessário ainda conceber a intricada estrutura tridimensional que efetuará a interconexão dos componentes. Nesta fase, além da concepção do projeto propriamente dito, há ainda que produzir os desenhos das interligações (que formarão as diversas camadas dos “wafers”). Estes desenhos têm aproximadamente o aspecto mostrado na Figura 1, onde aparecem diversas camadas superpostas, cada uma em sua cor.

Figura 1: parte do desenho da estrutura de um processadorFigura 1: parte do desenho da estrutura de um processador (Foto: Reprodução/Intel)

Estabelecida a concepção do projeto, os desenhos são separados camada a camada e reduzidos a microfotografias de precisão, transparentes (semelhantes aos antigos “slides” usados em projeções fotográficas). Cada uma delas será a “máscara” de uma das camadas do “wafer”.

Projeto pronto, é “botar a mão na massa”.

Figura 2: produção do cristal de silício.Figura 2: produção do cristal de silício (Foto:
Reproducão/Intel)

O primeiro passo é gerar um cristal de silício extremamente puro que fornecerá as bases para os “wafers”. A matéria prima é a mais barata possível: a areia, um material natural composto essencialmente de silício. Então, em uma sala limpa (onde há menos de cem partículas de poeira por metro cúbico de ar), funde-se a areia representada na parte superior da Figura 2 para obter o silício líquido, despeja-se este material em um molde (parte central da Figura 2) e deixa-se esfriar. O resultado é o mostrado na parte inferior da Figura 2, um cristal cilíndrico monolítico de silício com 30 cm de diâmetro.

Este cilindro é então cortado com ferramentas de extrema precisão em discos com espessura inferior a um milésimo de milímetro. Cada uma destas fatias será a base de um “wafer”.

Figura 3: Corte das bases circulares do “wafer”Figura 3: Corte das bases circulares do “wafer” (Foto: Reprodução/Intel)

Esta base é uma fatia de um puríssimo cristal de silício. Para nela criar transistores semelhantes aos do tipo planar precisamos agregar impurezas em pontos precisamente localizados segundo os desenhos desenvolvidos na etapa de projeto.

Figura 4: gota de material fotossensível caindo sobre a baseFigura 4: gota de material fotossensível caindo sobre a base (Foto: Reprodução/Intel)

O primeiro passo é a criação de uma camada protetora de material fotossensível sobre o disco de silício. Para isto baixa deixar cair uma gota de volume cuidadosamente medido de solução deste material fotossensível no centro do disco enquanto ele gira a altíssima velocidade. A força centrífuga fara a gota se espalhar formando uma camada de espessura perfeitamente homogênea da ordem de uma fração de milímetro. Agora, basta esperar secar.

Figura 5: Fotossenssibilização da camada protetoraFigura 5: Fotossenssibilização da camada protetora
(Foto: Reprodução/Intel)

Doravante o trabalho consistirá em desenhar e recortar, uma tarefa comum nos jardins de infância. A única diferença é que, aqui, a precisão tem que ser maior. Começa-se ajustando a primeira “máscara” (aqueles “slides” que contêm o desenho do circuito que mencionamos no início) em uma aparelhagem ótica de precisão e projetando através dela um intenso feixe de radiação ultravioleta focalizado sobre um pequeno retângulo na superfície da camada protetora. Este retângulo virá a se constituir em um processador. Para sensibilizar os demais, move-se o aparato, repetindo o processo para cada um.

Esta primeira máscara contém o “mapa” dos locais onde serão criados os transistores. A projeção de radiação UV “sensibiliza” os trechos da camada protetora que foram banhados pela luz. Os locais atingidos pela radiação tornam-se solúveis em um líquido de composição química adequada. A placa é então submetida a um banho neste líquido. Este banho dissolve e remove os trechos solúveis, formando pequenas “ilhas” na camada de material fotossensível. Estas “ilhas”, quadradas, serão os futuros transistores que, no esquema da figura 6, estão delimitados pela camada rosa na imagem da direita da figura. Para transformá-los de fato em transistores basta agregar as impurezas nos lugares certos.

Figura 6: inserção das impurezasFigura 6: inserção das impurezas (Foto: Reprodução/Intel)

Para isto, sobre a superfície da placa, usando a mesma técnica acima descrita, é espalhada uma nova camada de material fotossensível (mostrada em azul na Figura 6) que por sua vez é sensibilizada com uma nova máscara que delimita as futuras regiões semicondutoras de cada transistor (ou seja, as que receberão as impurezas). Isto feito, ao se lavar esta camada com a solução que dissolve os trechos sensibilizados, as superfícies que receberão as impurezas ficarão desprotegidas (mostradas em verde no quadrado da esquerda da Figura 6). Para acrescentar as impurezas usa-se uma técnica denominada “implantação de íons” que bombardeia a superfície com ions de impurezas projetados em velocidades da ordem de 300 mil km/h (veja imagem no centro da Figura 6). O próprio feixe de energia se encarrega de remover a camada protetora, enquanto “queima” as regiões expostas de silício, agregando-lhes as impurezas. O resultado, mostrado do lado direito da figura 6, é um dos bilhões de transistores que formarão os processadores.

Só falta interligá-los.

Ora, como sabemos esta interligação é feita através de uma intrincada estrutura tridimensional de material condutor situada acima da base onde estão os transistores que, como vimos, é montada delicadamente, camada a camada, como um “wafer. Primeiro, espalha-se uma camada protetora de material fotossensível. Depois, projeta-se sobre cada processador (lembre-se, são centenas deles em cada base circular) o “mapa” dos condutores elétricos daquele nível. Em seguida submete-se a base circular a um banho químico que dissolve o material atingido pela luz, formando “canais”. Estes canais são, então, preenchidos com cobre por um processo de recobrimento elétrico análogo à galvanoplastia. E assim é construída, camada a camada, toda a rede de interligações dos componentes.

Figura 7: trecho do interior de um processadorFigura 7: trecho do interior de um processador (Foto: Reprodução/Intel)

O resultado é algo semelhante ao mostrado na Figura 7, onde se vê o diagrama esquemático do que seria um trecho interno de um microprocessador (o “enchimento” que dá resistência ao conjunto não aparece para facilitar o entendimento).

Repare, imediatamente sobre a base, os quadrados rosa. Cada um deles delimita um transistor. Na parte da esquerda da peça aparece, em verde, o interior do transistor, com o emissor e coletor (que receberam as impurezas) separados pela base. Acima desta superfície aparece a intrincada estrutura de conexão.

A Figura 7 mostra apenas uma pequena parte da estrutura, grandemente aumentada. Ela completa, reduzida às suas verdadeiras dimensões, consiste em alguns quilômetros de condutores elétricos situados em camadas sobrepostas conectando centenas de milhões de componentes, tudo isto contido em um “chip” cuja área é menor que a da unha de seu polegar…

Quem preferir acompanhar este processo de fabricação em vídeos, encontrará no YouTube um exemplo suprido pela AMD e outro fornecido pela Intel. O primeiro é acompanhado de uma descrição em inglês. Já o segundo usa apenas imagens, sem qualquer explicação sonora. Recomendo ambos.

Agora que sabemos como é um microprocessador “por dentro”, vamos ver porque ele precisa ser tão pequeno.

Talvez você se surpreenda com a razão.

Até a próxima coluna.

B. Piropo

  • imprimir
Seja o primeiro a comentar


Imagem do usuário
Sair

Quer realmente sair da globo.com?

Imagem do usuário

recentes

populares