¿Cómo es el proceso de fabricación de los procesadores?

Puede que te parezca muy mágico el funcionamiento de una CPU, pero no es más que el resultado de décadas de ingeniería. Con el tiempo, los transistores (componentes básicos de todo microchip) han disminuido su tamaño, a escalas incluso microscópicas. Esto ha provocado que la fabricación de los procesadores se haya vuelto cada vez más complicada. Básicamente pasan por dos procesos, que son fotolitografía y empaquetamiento. Que si bien son una solución para la fabricación de estos microchips, no es totalmente perfecto ya que tienen algunos problemas que explicaremos.

La fotolitografía

Actualmente los transistores son tan diminutos que para los fabricantes les es imposible construirlos con métodos normales. Es cierto que las impresoras 3D son muy precisas y pueden crear cosas complejas, pero no son adecuadas para las escalas nanométricas para la construcción de los chips actuales.

Para resolver este inconveniente está la fotolitografía, lo que hace innecesario mover maquinaria complicada de alta precisión. Básicamente, se trata de utilizar luz para grabar una imagen en el chip. Imagina un antiguo retroproyector, pero haciendo lo contrario, es decir, reduce la plantilla a la precisión que se desea.

fabricación de los procesadores

La fotolitografía consiste en grabar una imagen del chip sobre una lámina de silicio.

La imagen es proyectada en una oblea de silicio que es mecanizada con muy alta precisión en laboratorios, debido a que apenas una mota de polvo en la oblea significa pérdidas de miles de dólares. La oblea está recubierta con un material llamado fotorresistente, que responde a la luz y deja un grabado de la CPU que es rellenado con cobre para formar transistores. Este proceso es repetido muchas veces hasta construir el CPU, de la misma forma en que una impresora 3D acumula capas de plástico.

Inconvenientes de la fotolitografía de nanoescala

Pero este proceso tiene algunos problemas, ya que no importa si puedes hacer transistores muy pequeños si estos no funcionan. El principal inconveniente en el proceso de fabricación de los procesadores con fotolitografía tiene que ver con la física. Se supone que un transistor detiene el flujo de electricidad al estar apagado, pero están volviéndose tan pequeños que los electrones pueden fluir a través de ellos. Este fenómeno es conocido como túnel cuántico, y es un problema muy grande para los ingenieros de silicio.

Los defectos son un problema más, ya que la fotolitografía también tiene un límite de precisión. Es similar a una imagen borrosa del proyector, no es tan clara cuando encoge. Sin embargo, este problema es tratado de mitigar con el uso de luz ultravioleta “extrema”. Esta es una onda mucho más alta que la que podemos percibir, con el uso de láseres en una cámara de vacío. Sin embargo, el problema seguirá existiendo mientras el tamaño de los transistores se reduzca.

Otros defectos pueden ser mitigados con un proceso conocido como binning. Esto significa que si el defecto está presente en un núcleo del procesador, el núcleo se desactiva y el chip es vendido como un componente inferior. Por ejemplo, los procesadores Intel son fabricados en una oblea como un Core i7 de 6 núcleos, si no funcionan como se debe son vendidos como Core i5. En caso de que siga sin funcionar según las especificaciones de un i5 es vendido como un Core i3.

Sin embargo, si el defecto está presente en el caché u otro componente esencial, lo más seguro es que el chip sea desechado. Ya que tiene un rendimiento mucho más bajo y precios más caros. Los núcleos de procesadores nuevos con 7nm y 10nm tienen mayores tasas de defectos, por lo que son más caros.

Empaquetamiento

Empaquetar el CPU para el usuario final es más que solo colocarla en una caja con espuma de poliestireno. Cuando el CPU es terminado, sigue siendo inútil a menos que pueda conectarse a la placa base. Para eso está el proceso de “empaquetado”, que consiste en unir el delicado molde de silicio a una PCB, lo que muchos consideran como CPU.

Este proceso necesita bastante precisión, aunque no tanto como la fotolitografía. La matriz de la CPU es montada en aun placa de silicio y las conexiones eléctricas son unidas a todos los pines que hacen contacto con la placa base. Las CPU actuales pueden contar con miles de pines, por ejemplo, el AMD Threadripper de gama alta cuenta con 4094 pines.

fabricación de los procesadores

Cuando la lámina está lista, esta se monta sobre una PCB y se prepara para la venta.

Debido a que los procesadores generan tanto calor, también deben protegerse. Para esto cuentan con un difusor de calor colocado en la parte superior. Esto ayuda a que pueda transferirse fácilmente el calor hacia el disipador que comúnmente montamos sobre nuestro CPU.

Cuando el empaquetamiento está listo, los procesadores son empaquetados en sus cajas de venta, listos para colocar en los estantes e instalar en una placa base. Teniendo en cuenta lo complejo que resulta la fabricación de los procesadores, es bastante impresionante que cuesten unos cientos de dólares.

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