Litografia: como é feito um processador [infográfico]

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Se você já leu alguma notícia sobre processadores, certamente deve ter reparado na palavra, principalmente sua principal utilização. Geralmente o termo está ao lado do tamanho dos transistores: “litografia 22 nm”.

Nesse caso, “nm” significa “nanômetros”, uma medida que equivale à bilionésima parte do metro. A litografia, no caso descrito acima, trata do tamanho de cada transistor ou seja, é o modo como eles são construídos.

Entendendo o processo de litografia

Para aumentar a capacidade do chip, é preciso aumentar o número de transistores em seu interior, e isso só é possível se você diminuir o tamanho do circuito como um todo. Afinal, como incluir milhões de transistores no núcleo de um processador sem aumentar o seu tamanho físico?

É aí que entra a litografia, que é parte do processo como esses circuitos são construídos. Seria inviável manusear transistores de tamanho microscópico, e é por isso que eles são “esculpidos” diretamente no silício.

O modo de construção de um processador é algo incrivelmente complexo, e pode levar até mesmo semanas para ser concluído. Isso tudo sem contar o processo de desenvolvimento do projeto dos circuitos, que precisam estar prontos muito tempo antes de a construção se iniciar.

Esse trabalho é feito pelos engenheiros que definem em qual área do chip as diferentes partes (cache, controlador de memória, vídeo, entre outros) que o compõem devem ficar e como elas deverão ser interligadas. Cada um desses detalhes tem extrema importância, já que um simples erro de projeto poderia inutilizar milhares de processadores produzidos.

Depois de terminar o projeto vem a fase da construção propriamente dita. Mas como fazer com que o projeto, desenvolvido em tamanho grande, possa ser impresso em tamanho microscópico no wafer de silício? É aí que finalmente chegamos na litografia.

Antes de tudo, o disco de silício é coberto com um material fotorresistente. Em seguida, é aplicada luz ultravioleta para realizar a transferência do diagrama de circuitos para a superfície do disco. Nessa hora, a luz passa por uma matriz do circuito desenvolvido em tamanho grande e por uma lente que reduz essa imagem até que ela seja pequena o suficiente para ser gravada no disco, centenas de vezes, lado a lado.

Esse processo faz com que as partes que foram bombardeadas com a luz se tornem solúveis. Depois, um banho de produtos químicos remove essas partes, assim como o restante do líquido fotorresistente. Após esse processo, o desenho do circuito pode ser visto na superfície do wafer de silício.

Como o silício é um semicondutor, é preciso revestir toda a superfície com uma camada de proteção, que evitará curtos-circuitos quando o cobre for aplicado. Em seguida, é realizado o processo de galvanoplastia, no qual os íons de cobre são transferidos para o wafer de silício.

O excesso de cobre é então removido e os contatos dos transistores e demais componentes do chip são expostos. Nessa fase, o processador já está praticamente pronto e, então, ele vai para a fase de testes.

O disco é cortado e todos os núcleos recém-criados são preparados para serem depositados no encapsulamento final, onde serão conectados aos terminais definitivos e cobertos com uma peça metálica que irá ajudar a proteger e dissipar o calor gerado pela CPU.

Curiosidade: toda a superfície do disco de silício é coberta por circuitos, até mesmo as bordas arredondadas que não irão criar processadores funcionais. Caso isso não seja feito, os processadores criados a partir das bordas podem apresentar uma taxa de problemas muito grande.

É claro que essa explicação foi simplificada para facilitar o entendimento do processo geral. Na realidade a construção de processadores envolve mais etapas, e os mesmos passos são realizados dezenas e até centenas de vezes continuamente.

Evolução do processo de litografia

Desenvolver processadores mais poderosos é uma engenharia incrivelmente complexa. O processo mais básico para que isso seja possível é o aumento do número de transistores no interior da peça. Mas como adicionar milhões de componentes em um local que já está no limite? Simples: diminuindo o tamanho dos componentes. Veja esta comparação entre processadores de diferentes gerações fabricados pela Intel.

• Intel Pentium 60 MHz (1993) – 3,1 milhões de transistores – 800 nm
• Intel Core i7-4790K 4 GHz (2014) – 1,4 bilhão de transistores – 22 nm
• Intel Processor (em desenvolvimento) – X transistores – 5 nm

Em termos de tamanho físico, pouca coisa mudou de um processador a outro. Isso só é possível por causa da diminuição do tamanho da litografia utilizada para a construção do núcleo da CPU, que, durante os anos, passou por uma série de aperfeiçoamentos.

Já pensou se os transistores tivessem continuado com o mesmo tamanho? Um core i7 novo seria cerca de 450 vezes maior que o primeiro Pentium, algo completamente impensável para um computador doméstico.

Além disso, outra vantagem evidente é a diminuição do consumo energético e, consequentemente, da geração de calor. Desse modo, sempe que você ver o termo "litografia XX nm", saiba que se trata do processo de construção e do tamanho dos transistores.