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Os pequeninos que dominaram o Mundo: Como são fabricados os Processadores
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| Ilustração 1: Imagem de um processador. |
No mundo atual eles estão em todos os lugares, nos computadores, notebooks, tablets, celulares, videogames, e muitos eletrônicos. Todas as ações realizadas pelo seu computador, por exemplo, tem que necessariamente passar pelo processador (ou CPU: do inglês ‘Central Processing Unit’, que em português seria a ‘Unidade Central de Processamento’).
Neste artigo faremos uma breve explanação sobre o funcionamento e fabricação dos processadores. É claro que este é um tema de altíssima complexidade e cada um dos sub-temas e conceitos apresentados se desenrolam em estudos muitos profundos. Por isso, neste artigo apenas os conceitos e temas mais elementares serão abordados aqui.
A priori, para facilitar a compreensão sobre a necessidade dos processadores, podemos fazer uma analogia muito pertinente com o cérebro humano. Todas as ações feitas pelos membros do seu corpo, seja comer, jogar bola, segurar um objeto, ler um texto, não são realizadas “pela vontade própria dos membros do corpo”, mas na verdade os membros do corpo são comandados pelo seu cérebro. O cérebro esta constantemente enviando ordens para os membros do corpo. De maneira similar funciona os processadores, tanto que são chamados de cérebro do computador.
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Ilustração 2: Imagem de um
Processador
de quatro núcleos. Fonte: Intel |
Como pode ser
claramente observado no exemplo da imagem ao lado: O pequeno chip do
processador ainda é grande quando comparado com o processador em si. A parte lógica, isto é,
onde ocorre o “comando” de todas as ações que ocorrem no computador acontece na
área central, ou nas áreas centrais, dependendo do modelo do processador.
Nesses núcleos de processamento, existem transistores.
Transistores
Desde os processadores mais antigos, os transistores já chegaram na casa dos milhares. Atualmente em um processador podem existir bilhões de transistores. Como exemplo tem-se os processadores Bulldozer da AMD, que possuem 1 bilhão de transistores). Outro exemplo, é o microprocessador Cell do Playstation 3 que conta com cerca de 234 milhões de transistores, com uma arquitetura de fabricação de 45 nanômetros, ou seja, a porta de controle de cada transistor tem o equivalente a 45 milionésimos de 1 milímetro. Os atuais transistores são tão pequenos que numa cabeça de alfinete pode ser ocupada por aproximadamente 30 milhões deles.
Desde os processadores mais antigos, os transistores já chegaram na casa dos milhares. Atualmente em um processador podem existir bilhões de transistores. Como exemplo tem-se os processadores Bulldozer da AMD, que possuem 1 bilhão de transistores). Outro exemplo, é o microprocessador Cell do Playstation 3 que conta com cerca de 234 milhões de transistores, com uma arquitetura de fabricação de 45 nanômetros, ou seja, a porta de controle de cada transistor tem o equivalente a 45 milionésimos de 1 milímetro. Os atuais transistores são tão pequenos que numa cabeça de alfinete pode ser ocupada por aproximadamente 30 milhões deles.
O formato desses transistores são diferentes dos
demais, porque enquanto o transistor comum (Ilustração 3) tem formato quadrado
e três “pernas”, os transistores construídos com nanotecnologia não possuem
tais características, ficam muito mais parecidos com partículas. São invisíveis
ao olho nu, mas se pudéssemos vê-los, teríamos uma imagem semelhante a exibida
na ‘ilustração 4’.
Em termos gerais, funciona como um interruptor de energia, que se comporta no estado de binário (apresenta 1 se estiver ligado e apresenta estado 0 quando estiver desligado). Quanto mais rápido ele for nesta operação, alternando entre 0 e 1, mais rápido será o processamento de uma informação.
Os atuais modelos de processadores, chegam a cerca de 4GHz, isso equivale a uma capacidade de 4 bilhões de operações. Vale lembrar que para isso, as operações de processamento ocorrem em efeito cascata, isto é, uns transistores controlando outros transistores.
Contudo existe um compromisso com o consumo de energia e a temperatura dissipada, que são limitações técnicas do Silício. Em ambos, a causa é a necessidade de energia que tem o perfil de uma função exponencial crescente com o aumento da freqüência por causa do desperdício crescente de energia. Por essa razão não encontramos processadores com mais de 5GHz a venda no mercado. Esse problema pode ser diminuído com redução do tamanho dos transistores, assim possibilita-se que eles consigam operar em freqüências maiores e consumindo uma quantidade de energia aceitável.
Em termos gerais, funciona como um interruptor de energia, que se comporta no estado de binário (apresenta 1 se estiver ligado e apresenta estado 0 quando estiver desligado). Quanto mais rápido ele for nesta operação, alternando entre 0 e 1, mais rápido será o processamento de uma informação.
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Ilustração 4: Representação gráfica
de como é o transistor de um processador. Fonte: Intel |
Os atuais modelos de processadores, chegam a cerca de 4GHz, isso equivale a uma capacidade de 4 bilhões de operações. Vale lembrar que para isso, as operações de processamento ocorrem em efeito cascata, isto é, uns transistores controlando outros transistores.
Contudo existe um compromisso com o consumo de energia e a temperatura dissipada, que são limitações técnicas do Silício. Em ambos, a causa é a necessidade de energia que tem o perfil de uma função exponencial crescente com o aumento da freqüência por causa do desperdício crescente de energia. Por essa razão não encontramos processadores com mais de 5GHz a venda no mercado. Esse problema pode ser diminuído com redução do tamanho dos transistores, assim possibilita-se que eles consigam operar em freqüências maiores e consumindo uma quantidade de energia aceitável.
Silício
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.
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Ilustração
5: O cilindro de silício;
Fonte: Intel |
Neste momento são produzidos cilindros de Silício, com de 20 a 30 centímetros de diâmetro, e na seqüência são cortados em fatias extremamente finas, essas fatias de silício são chamadas de wafers. Os wafers (fatias) são polidos até que não haja qualquer imperfeição e a superfície fique completamente lisa. Em uma etapa posterior, como será mostrado mais adiante, cada wafer será dividido em vários “quadradinhos”, que posteriormente serão separados e formarão os processadores em si.
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| Ilustração 6: O cilindro de silício. |
A parte superior do wafer é oxidado, com a exposição a gases corrosivos (em especial o oxigênio), transformando-a em dióxido de silício. A fina camada de dióxido de silício será usada como base para a construção do transistor, para que os transistores sejam feitos no próprio processador.
Por cima do dióxido de silício, é criada uma camada de material fotossensível (que reage a luz), uma luz ultravioleta é lançada em algumas áreas da superfície.
A camada fotossensível exposta a luz ultravioleta vira uma substância gelatinosa, e que assim é removida com facilidade. O wafer passar por mais um banho químico para a remoção do dióxido de silício não protegido pela camada fotossensível. No próximo passo, a camada fotossensível é removida.
O que restou será a base estrutural para criar os transistores. Algumas pessoas relacionam esses procedimentos com a revelação de fotografias, afinal os princípios são semelhantes.
De isolante a condutor
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| Ilustração 7: Reticulado de silício, átomos fazem quatro ligações , não deixando nenhum elétron livre para conduzir a corrente elétrica. Portanto o cristal de silício é um isolante, ao invés de um condutor. |
O silício (bem como o carbono e o germânio) possui 4 elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que ele forme bons cristais. Esses 4 elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando uma reticulado. Formando assim uma substância metálica prateada.
Os metais possuem uma tendência a serem bons condutores de eletricidade (por possuírem elétrons livres para conduzir a corrente elétrica). Mesmo tenfo aparência metálica, os cristais de silício não são metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, muito pouca eletricidade passa por ele. Contudo é possível alterar o comportamento do silício, mudando seu caráter de isolante, e transformando-o em um condutor através de um procedimento denominado dopagem. Na dopagem, os cristais do silício são misturados a pequenas quantidades de impurezas.
Portanto, agora que os wafers estão quase prontos, é alterada a condutividade do elemento através da dopagem.
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| Ilustração 8: Átomos dopados são lançados na estrutura do wafer.. |
Neste ponto os wafers são recortados em um formato de pastilhas. Cada unidade será um processador. Uma vez que os wafers são redondos, o material que sobra é descartado porque não pode virar um processador.
Conectando os Transistores
O cobre será o elemento que conectará os milhões ou bilhões de transistores.
“Embrulhando”
Por fim, os processadores são encapsulados. O encapsulamento varia de processador para processador, mas quase normalmente tem-se uma proteção de metal sobre o die (o centro, onde fica o processador em si) do processador. Essa tampa metálica, tem a função de proteger o processador e dissipar calor.
Por Lucas Camilio
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