¿Cómo se fabrican realmente los procesadores?

procesadores de punzonadofotos / Shutterstock

Aunque el funcionamiento de los procesadores puede parecer mágico, es el resultado de décadas de ingeniería inteligente. A medida que los transistores, los componentes básicos de cualquier microchip, se reducen a escalas microscópicas, la forma en que se producen se vuelve cada vez más complicada.

Fotolitografía

retroproyector para el aulaJ. Robert Williams / Shutterstock

Los transistores son ahora tan increíblemente pequeños que los fabricantes no pueden construirlos con métodos normales. Si bien los tornos de precisión e incluso las impresoras 3D pueden realizar creaciones increíblemente complejas, generalmente alcanzan niveles micrométricos de precisión (es decir, alrededor de una treinta milésima de pulgada) y no son adecuados para las escalas de nanoescala en las que se fabrican los chips de hoy.

La fotolitografía resuelve este problema al eliminar la necesidad de mover máquinas complicadas con mucha precisión. En cambio, usa luz para grabar una imagen en el chip, como un retroproyector antiguo que puede encontrar en las aulas, pero al revés, reduciendo la plantilla a la precisión que desea.

La imagen se proyecta sobre una oblea de silicio, que se mecaniza con gran precisión en laboratorios controlados, ya que una sola mota de polvo en la oblea podría significar una pérdida de miles de dólares. La oblea está recubierta con un material llamado resina fotosensible, que reacciona a la luz y se lava, dejando un grabado del procesador que se puede llenar con cobre o droga para formar transistores. Este proceso luego se repite varias veces, construyendo el procesador de manera similar a como una impresora 3D acumula capas de plástico.

Los problemas de la fotolitografía a nanoescala

diagrama de fallas de la oblea de silicio

No importa si puede reducir el tamaño de los transistores si en realidad no funcionan, y la tecnología a nanoescala se enfrenta a muchos problemas físicos. Se supone que los transistores detienen el flujo de electricidad cuando se apagan, pero se vuelven tan pequeños que los electrones pueden pasar a través de ellos. Se llama túnel cuántico y es un gran problema para los ingenieros de silicio.

Los defectos son otro problema. Incluso la fotolitografía tiene un límite en su precisión. Es análogo a una imagen de proyector borrosa; no es tan claro cuando se agranda o se encoge. Actualmente, las fundiciones están tratando de mitigar este efecto utilizando luz ultravioleta «extrema», una longitud de onda mucho más alta que la que los humanos pueden percibir, utilizando láseres en una cámara de vacío. Pero el problema persistirá a medida que disminuya el tamaño.

Las fallas a veces se pueden mitigar con un proceso llamado binning: si la falla llega al núcleo del procesador, ese núcleo se desactiva y el chip se vende como parte inferior. De hecho, la mayoría de las líneas de procesadores se fabrican con el mismo modelo, pero tienen núcleos desactivados y se venden por un precio menor. Si la falla llega a la memoria caché oa algún otro componente crítico, es posible que ese chip deba descartarse, lo que da como resultado un rendimiento más bajo y precios más altos. Los nodos de proceso más nuevos, como 7 nm y 10 nm, tendrán tasas de defectos más altas y, por lo tanto, serán más costosos.

Empácalo

CPU dividida en diferentes partesMchlSkhrv / Shutterstock

Empaquetar el procesador para uso del consumidor implica más que simplemente ponerlo en una caja con espuma de poliestireno. Cuando un procesador está terminado, sigue siendo inútil a menos que pueda conectarse al resto del sistema. El proceso de «envoltura» se refiere al método mediante el cual el delicado chip de silicio se conecta a la PCB que la mayoría de la gente considera como la «CPU».

Este proceso requiere mucha precisión, pero no tanto como los pasos anteriores. El chip del procesador está montado en una placa de silicio y las conexiones eléctricas se realizan a todos los pines que hacen contacto con la placa base. Los procesadores modernos pueden tener miles de pines, el AMD Threadripper de gama alta tiene 4094.

Dado que el procesador genera mucho calor y también debe protegerse desde el frente, se monta un «distribuidor de calor integrado» en la parte superior. Este entra en contacto con la matriz y transfiere el calor a un enfriador que está montado en la parte superior. Para algunos entusiastas, la pasta térmica utilizada para hacer esta conexión no es lo suficientemente buena, lo que hace que la gente deleitando a sus procesadores para aplicar una solución más premium.

Una vez que todo está ensamblado, se puede empaquetar en cajas reales, listo para ser colocado en los estantes e insertado en su futura computadora. Con la complejidad de la fabricación, es sorprendente que la mayoría de los procesadores solo cuesten unos pocos cientos de dólares.

Si tiene curiosidad por conocer aún más información técnica sobre la fabricación de procesadores, consulte las explicaciones de Wikichip sobre procesos de litografía y microarquitecturas.

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