Eles estão presentes em todos os desktops, notebooks, netbooks e
muitos eletrônicos que já estão aderindo à inteligência avançada para
processamento de dados. Sim, estamos falando dos processadores, os
responsáveis pela mágica que move o mundo de diversas formas.
Apesar de conhecermos um pouco sobre eles, o máximo que temos noção
diz respeito à velocidade, ao modelo comercial, socket e detalhes que
realmente são de alguma forma úteis no cotidiano. No entanto, como será
que as fabricantes desenvolvem tais componentes? De onde vem o material
utilizado para a construção de uma CPU? Quantas pequenas peças tem um
processador?
Estas e outras perguntas serão respondidas neste artigo, que visa
mostrar a alta complexidade da fabricação dos processadores, através da
simplicidade das imagens, vídeos e respostas rápidas que preparamos para
você. No entanto, antes de entrar nesses méritos, vale uma
retrospectiva e uma observação especial nas curiosidades destes cérebros
digitais.

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Os átomos dos computadores


Você já deve conhecer o átomo. A menor partícula da matéria. Os
processadores também possuem átomos, porém na construção dos
processadores os cientistas não conseguem manipular elementos tão
ínfimos. Sendo assim, o que consideramos como átomos são os
transistores, pequenos componentes presentes em quaisquer aparelhos
eletrônicos.
Basicamente, os transistores são os únicos componentes inteligentes
na eletrônica (considerando apenas os de funções básicas). A diferença
entre eles e os resistores, capacitores e indutores, está na tarefa
executada. Enquanto os demais itens manipulam a energia elétrica de
forma simples, os transistores aproveitam-na para funcionar como
interruptores e amplificadores.

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Apesar da complexidade do parágrafo acima, o importante é saber que
quando em conjunto, muitos transistores podem realizar tarefas complexas
(execução de aplicativos e jogos avançados). E é justamente por isso
que eles existem em abundância nos processadores. Como você percebeu em
nosso infográfico, os primeiros processadores já contavam com milhares
de transistores. Os mais evoluídos passaram para os milhões. E os atuais
chegam a bilhões.
E como cabe tudo isso dentro de um espaço tão pequeno? Bom, imagine o
seguinte: se em uma caixa de fósforos podemos colocar 20 palitos
grandes, na mesma caixa poderíamos colocar o dobro de palitos com a
metade do tamanho. Assim acontece com os transistores, para colocar mais
deles em um mesmo espaço, as fabricantes reduzem o tamanho. Aliás,
reduzem muito!

diminuição de tamanho é tão grande que nem sequer podemos ver a olho
nu um transistor. Eles alcançam a casa das dezenas de nanômetro, ou
seja, muito mais fino que um fio de cabelo. No entanto, não é só pelo
tamanho que consideram os transistores como átomos dos processadores,
mas principalmente pela função realizada. Assim como os átomos são
fundamentais para quaisquer seres vivos, os transistores são essenciais
para o funcionamento das CPUs.
Outro aspecto importante a comentar está relacionado ao formato.
Enquanto um transistor comum, em geral, tem formato quadrado e três
“pernas”, os transistores construídos com nanotecnologia perdem esta
característica, parecendo-se muito mais com partículas. Bom, agora que
já falamos dos transistores, vale assistir a um vídeo da AMD:

A primeira etapa: diagrama dos circuitos


Antes de começar a fabricação dos processadores, os projetistas e
engenheiros criam o diagrama de circuitos. Este diagrama é uma espécie
de desenho que vai determinar que peça ficará em determinada posição
dentro de uma CPU. Tal tarefa exige conhecimento avançado, tanto sobre
os componentes existentes para a fabricação quanto sobre as tecnologias
que poderão ser utilizadas.

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A diagramação dos circuitos é construída em diversos locais de
maneira colaborativa. Muitos estudiosos sugerem opções para a geração de
um diagrama funcional e que possa oferecer alternativas mais eficientes
e viáveis. Nesta primeira etapa surge a arquitetura dos processadores.
Através de muita análise, os engenheiros decidem a quantidade de
memória cache, os níveis de memória, a frequência, os padrões da CPU e
detalhes específicos quanto ao modo como o chip principal vai utilizar a
memória cache. Claro que, a diagramação vai muito além e em geral é um
processo longo. Os engenheiros precisam planejar com muita antecedência a
CPU, pois ela será comercializada alguns meses (ou até um ano) depois.
Começa a fabricação: da areia para o chip


Você já reparou na quantidade de areia que existe em uma praia?
Então, ela não serve apenas para fazer castelinhos, pois também tem
utilidade na fabricação dos processadores. É isso mesmo: a areia é o
fundamento de uma CPU e, evidentemente, após muitas transformações ela
passa a ser um elemento inteligente no seu computador.
A areia tem em sua constituição 25% de silício, que por sinal é o
segundo elemento mais abundante em nosso planeta. E aí é que está o
segredo dos processadores. A areia, propriamente dita, não serve para a
construção, no entanto o silício é um cristal excelente.

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De onde a areia é retirada? Nenhuma fabricante relata exatamente o
local de obtenção, pois nem sempre elas buscam exatamente areia comum.
Segundo informação da Intel, a matéria-prima de onde retiram o silício é
o quartzo. Este mineral é rico em dióxido de silício (SiO₂), material que realmente é a base de tudo.
Não seria possível construir com outro elemento? Com certeza! Inclusive [Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar este link]
(como o Gálio, por exemplo). Todavia, as indústrias, geralmente, optam
pelo silício justamente pelo baixo custo e devido à abundância deste
elemento.
O silício em seu estado mais puro


Para construir um processador não basta pegar um pouco de areia e
apenas extrair o silício. A fabricação de uma CPU exige um nível de
pureza perfeito, algo em torno de 99,9999999%. Isso quer dizer que a
cada 1 bilhão de átomos, somente um não pode ser de silício. O silício é
purificado em múltiplas etapas, para garantir que ele atinja a
qualidade máxima.

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Este processo de purificação é realizado através do derretimento do
silício. Após atingir uma temperatura de altíssimo nível (superior ao
nível de fusão), as impurezas deixam o silício isolado, de modo que o
material esteja em sua forma mais natural. Ao realizar esta etapa, as
fabricantes costumam criar um grande lingote (uma espécie de cilindro).
Wafers: o processador começa a tomar forma


Um lingote costuma pesar em média 100 kg, no entanto este cilindro
não tem utilidade com o tamanho avantajado. Sendo assim, é preciso
cortar o lingote em fatias, de modo que se obtenham pequenos discos de
espessura reduzida (algo em torno de 1 mm).

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Estes discos também são conhecidos como wafers. Eles possuem uma
estrutura química perfeita e é onde os transistores serão encaixados
posteriormente. Apesar de serem muito finos, eles não são muito
pequenos. O tamanho varia conforme a fabricante, a Intel, por exemplo,
utiliza wafers com 30 cm de diâmetro.
Segundo a Intel, a estratégia de utilizar discos maiores é útil para
reduzir os custos de produção. Até porque, as duas maiores fabricantes
de processadores (AMD e Intel) compram os wafers prontos. Após o corte
dos wafers é necessário polir a superfície para obter faces tão
brilhosas quanto um espelho.
Entrando nas “salas limpas”


Antes de dar continuidade ao nosso processo de construção, precisamos
nos localizar. Tendo os wafers prontos, as fabricantes não podem deixar
que nenhuma partícula de poeira chegue perto deles. Para isto é preciso
ter um ambiente com higienização perfeita. Conhecidos como “salas
limpas”, os laboratórios para fabricação de processadores são até 10 mil
vezes mais limpos do que uma sala de cirurgia.

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Para trabalhar em um ambiente como este é preciso utilizar trajes
especiais. Os trajes são tão complexos que até mesmo os funcionários das
fabricantes levam alguns minutos para vestir todos os acessórios
apropriados para evitar contato com os wafers.
Inserindo o desenho no wafer


Agora que os discos de silício estão em um ambiente apropriado, é
necessário aplicar o processo foto-litográfico. Este processo é que vai
determinar o “desenho” principal do processador. Para a realização deste
passo, as fabricantes aplicam um material foto-resistente ao wafer (o
material varia conforme a empresa, a AMD demonstra com um material de
cor vermelha, a Intel com um de cor azul).

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Depois é aplicado luz ultravioleta para realizar a transferência do
diagrama de circuitos (aquele comentado no começo do texto) para o
wafer. A luz incide sobre o circuito (em tamanho grande), o qual reflete
o desenho em uma lente. Esta lente vai diminuir o tamanho do circuito,
possibilitando que a escala seja reduzida com perfeição para o tamanho
necessário. Por fim, a luz refletida pela lente sobre o wafer fica
gravada e pode-se dar continuidade ao processo.

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As partes que foram expostas a luz ficam maleáveis e então são
removidas por um fluído. As instruções transferidas podem ser usadas
como um molde. As estruturas agora podem receber todos os minúsculos
transistores.
Wafers prontos: hora de jogar os átomos


Depois que os wafers foram preparados, eles vão para um estágio onde
as propriedades elétricas básicas dos transistores serão inseridas.
Aproveitando a característica de semicondutor do silício, as fabricantes
alteram a condutividade do elemento através da dopagem. Assim que os
átomos estão dopados, eles podem ser “jogados” na estrutura do wafer.

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Inicialmente, os átomos (carregados negativamente e positivamente,
também conhecidos como íons) são distribuídos de maneira desordenada. No
entanto, ao aplicar altas temperaturas, os átomos dopados ficam
flexíveis e então adotam uma posição fixa na estrutura atômica.
Ligando tudo


Como cada estágio é realizado em uma parte diferente da fábrica,
algumas partículas de poeira podem ficar sobre o processador. Sendo
assim, antes de proceder é preciso limpar a sujeira depositada sobre o
circuito.
Agora passamos ao próximo estágio da fabricação, em que o cobre é
introduzido no processador. No entanto, antes de aplicar este elemento,
uma camada de proteção é adicionada (a qual previne curtos-circuitos).
Cobre


Agora sim o cobre pode ser adicionado na estrutura do processador.
Ele servirá para ligar bilhões de transistores. O cobre vai preencher os
espaços que ficaram sobrando no wafer. Depois que tudo está devidamente
ligado, temos circuitos integrados que vão agir em conjunto. Como a
quantidade de cobre é adicionada em excesso, é preciso removê-la para
que o wafer continue com a mesma espessura.

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Detalhe: desde o começo da fabricação até a etapa atual, todas as
etapas são acompanhadas com o auxílio de um microscópio de alta
qualidade. Assim, os engenheiros visualizam as mínimas partes de cada
transistor individualmente, o que garante a perfeição nos componentes
internos do processador.
O processo para a criação de um wafer leva cerca de dois meses. No
entanto, como um wafer comporta muitos chips, as fabricantes conseguem
milhares de processadores em cada remessa de produção.
O último passo: o processador como conhecemos


Finalmente, um número absurdo de contatos é adicionado a parte
contrária do wafer. O wafer será cortado em diversas partes para gerar
vários processadores. No entanto, cada pedaço do wafer não é uma CPU,
mas apenas um die – nome dado ao circuito principal.
O die é “colado” sobre uma base metálica, também conhecida como
substrate. O substrate é a parte de baixo do processador e será a
responsável por interligar os circuitos internos da CPU com os
componentes da placa-mãe. Esta ligação é realizadas através de pinos
metálicos – os quais serão encaixados no socket.

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Outro componente semelhante a uma chapa metálica é colocado em cima
do die. Este item é conhecido como heatspreader (espalhador de calor) e
servirá como um dissipador. É no heatspreader que serão adicionados a
logo da fabricante, o modelo do processador e futuramente será o local
para aplicação da pasta térmica.
O processador chega a uma loja perto de você


Depois de juntar os três itens principais, o processador será testado
mais uma vez – durante o processo de fabricação ele já foi testado
diversas vezes. Caso os testes indiquem que tudo está normal, o produto
será embalado.

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Evidentemente, até este processo segue padrões rígidos, afinal todas
as CPUs devem chegar com o mesmo padrão de qualidade até o consumidor.
Muitos produtos serão enviados diretamente para montadoras, as quais já
firmaram contratos prévios com as fabricantes. Outros serão encaixotados
para a venda em lojas de informática.
Pronto para fabricar o seu?


Basicamente o processo de fabricação consiste nos passos apresentados
neste artigo. É claro que não abordamos a inserção da memória cache, a
fabricação dos transistores e adição de diversos componentes que vão nas
CPUs.
Todavia, as próprias fabricantes não revelam muito sobre este
assunto, justamente porque não veem necessidade de que os consumidores
obtenham tais informações – além de que isto pode ajudar a cópia de
métodos por parte das concorrentes.
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