A operação de uma CPU, embora pareça um feito de magia, é o resultado de décadas de engenharia sofisticada. A miniaturização dos transistores, componentes básicos de qualquer microchip, para dimensões microscópicas, torna o seu processo de fabricação cada vez mais complexo.
Fotolitografia: A Arte de Criar Transistores Minúsculos
Os transistores atingiram tamanhos tão incrivelmente pequenos que os métodos de fabricação tradicionais tornaram-se inadequados. Embora tornos de precisão e impressoras 3D possam criar estruturas complexas, a sua precisão, geralmente da ordem de micrômetros (cerca de um trigésimo milésimo de polegada), não é suficiente para as escalas nanométricas em que os chips modernos são construídos.
A fotolitografia surge como solução, eliminando a necessidade de mover máquinas com extrema precisão. Este método utiliza luz para gravar a imagem do circuito no chip, de forma semelhante a um retroprojetor, mas com o objetivo oposto, reduzindo o estêncil à precisão necessária.
A imagem é projetada sobre um wafer de silício, que é usinado com precisão extrema em ambientes controlados, pois qualquer partícula de poeira no wafer pode resultar em perdas de milhares de dólares. O wafer é revestido com um material sensível à luz, o fotorresiste, que é então removido após a exposição, deixando uma estrutura da CPU que pode ser preenchida com cobre ou dopada para formar transistores. Este processo é repetido diversas vezes, construindo a CPU em camadas, semelhante ao funcionamento de uma impressora 3D.
Desafios da Fotolitografia em Nanoescala
A diminuição do tamanho dos transistores não garante necessariamente o seu funcionamento ideal. A tecnologia em nanoescala enfrenta desafios relacionados com as leis da física. Os transistores devem interromper o fluxo de eletricidade quando estão desligados, mas o seu tamanho reduzido permite que os elétrons atravessem, um fenómeno chamado tunelamento quântico, o que constitui um problema significativo para os engenheiros de silício.
Os defeitos são outro obstáculo. A fotolitografia possui limites na sua precisão, resultando em imagens menos nítidas quando ampliadas ou reduzidas. Para mitigar este efeito, as fabricantes utilizam Luz ultravioleta “extrema”, um comprimento de onda superior ao que o olho humano pode ver, através de lasers em câmaras de vácuo. Contudo, o problema persiste com a contínua redução do tamanho.
Por vezes, defeitos podem ser contornados através do processo chamado binning. Se um defeito afetar um núcleo da CPU, esse núcleo é desabilitado e o chip é comercializado como uma versão inferior. Na realidade, muitas linhas de CPUs são fabricadas com base no mesmo design, mas com núcleos desativados e vendidas a preços mais baixos. Se o defeito afetar o cache ou outro componente essencial, o chip é descartado, o que resulta em menor rendimento e custos mais elevados. Processos de fabricação mais recentes, como os de 7nm e 10nm, apresentam maiores taxas de defeito, tornando-os mais caros.
Embalagem da CPU: Proteção e Conexão
A embalagem da CPU para uso comercial envolve mais do que simplesmente colocá-la numa caixa com esferovite. Após a conclusão do processo de fabricação, a CPU necessita de se conectar ao resto do sistema para ser útil. O processo de embalagem refere-se ao método de fixação da delicada matriz de silício ao PCB, a peça que é vulgarmente chamada de “CPU”.
Este processo requer bastante precisão, mas não tanta como as etapas anteriores. A matriz da CPU é montada numa placa de silício, e as ligações elétricas são feitas em todos os pinos que fazem contato com a placa-mãe. As CPUs modernas podem ter milhares de pinos, com o AMD Threadripper a possuir 4094.
Para proteger a CPU e dissipar o calor gerado, é montado um “dissipador de calor integrado” na parte superior. Este dissipador estabelece contato com a matriz e transfere o calor para um sistema de resfriamento externo. Alguns entusiastas consideram a pasta térmica utilizada para esta conexão como insuficiente, optando por realizar o delidding dos seus processadores, para aplicar uma solução mais eficiente.
Depois de montada, a CPU é embalada e enviada para as lojas, pronta para ser instalada num computador. Dada a complexidade do seu fabrico, é notável que a maioria das CPUs custe apenas algumas centenas de dólares.
Para obter informações mais técnicas sobre a fabricação de CPUs, consulte as explicações da Wikichip sobre processos de litografia e microarquiteturas.