Como são fabricados os processadores?

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. Se você preferir, antes de descobrir como os processadores são feitos.

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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.)