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Data: 05.03.2001
Assunto: Como são fabricados os processadores
Por: Carlos E. Morimoto
Contato:

 

 Como são fabricados os processadores

Até mudarem o mundo como o conhecemos, os chips passaram por um longo processo evolutivo. Tudo começou com as válvulas, que evoluíram para os transístores, considerados a maior invenção do século.

Fora o preço, os primeiros transístores não foram lá nenhuma revolução sobre as antigas válvulas, tanto que elas sobreviveram durante vários anos depois que os transístores começaram a ser produzidos em escala comercial.

O grande salto veio quando descobriu-se que era possível construir vários transístores sobre o mesmo waffer de silício. Isso permitiu diminuir gritantemente o custo e tamanho dos computadores. Entramos então na era do microchip.

O primeiro microchip do mundo foi lançado pela Intel em 1971 e chamava-se 4004. Como o nome sugere, ela era um processador de apenas 4 bits que era composto por pouco mais de 2000 transístores. Veja uma foto dele abaixo:



De lá pra cá, foi um longo caminho. Enormes investimentos foram feitos e muitos dos maiores gênios do planeta trabalharam em busca de soluções para questões cada vez mais complexas. No artigo desta semana veremos como os computadores evoluíram, das válvulas ao Athlon e Pentium 4.


:. A história das válvulas

Tudo começou numa certa tarde quando Thomas Edison, inventor da lâmpada elétrica estava brincando com a sua invenção. Ele percebeu que ao ligar a lâmpada ao polo positivo de uma bateria e uma placa metálica ao polo negativo, era possível medir uma certa corrente fluindo do filamento da lâmpada à chapa metálica, mesmo estando os dois isolados. Havia sido descoberto o efeito termoiônico, o princípio de funcionamento das válvulas.

As primeiras válvulas surgidas no início do século possuíam dois eletrodos, e eram chamadas de diodos. A geração seguinte possuía três eletrodos, sendo chamadas de tríodo. Estas últimas podiam ser usadas também como amplificadores, o que possibilitou seu uso em rádios e no sistema telefônico.

Porém, as válvulas tinham problemas em comum: aqueciam demais, eram pouco confiáveis, eram muito grandes e consumiam muita energia. Não havia maiores problemas em reunir meia dúzia de válvulas num rádio, mas era complicadíssimo construir um computador com elas.



Válvula



:. Os Transístores

Na época, a maior parte da indústria continuou trabalhando no aperfeiçoamento das válvulas, obtendo modelos menores e mais confiáveis. Porém, vários pesquisadores, começaram a procurar alternativas menos problemáticas.

A tecnologia mais promissora eram os semicondutores, entre eles o silício e o germânio, materiais que não podem ser classificados nem como condutores, nem como isolantes, formando um grupo intermediário. O silício acabou sendo o adotado, pois existe de forma abundante na natureza e é mais fácil de trabalhar que outros materiais pesquisados.

Com o avanço das pesquisas, descobriu-se que adicionando certas substâncias em pequenas quantidades era possível alterar as propriedades elétricas do silício. As primeiras experiências usavam fósforo e boro, que transformavam o silício em condutor por cargas negativas ou condutor por cargas positivas, dependendo de qual dos dois materiais fosse usado. Estas substâncias adicionadas ao silício são chamadas de impurezas, e o silício "contaminado" por elas é chamado de silício dopado.

Surgiram então os primeiros transístores. A humanidade nunca mais seria a mesma :-)

Cada transístor funciona como uma espécie de interruptor, que pode estar ligado ou desligado, como uma torneira que pode estar aberta ou fechada, ou mesmo como uma válvula. A diferença é que o transístor não tem partes móveis como uma torneira e é muito menor, mais barato e muito mais rápido que uma válvula.

A mudança de estado de um transístor é feito através de uma corrente elétrica, esta mudança de estado por sua vez pode comandar a mudança de estado de vários outros transístores ligados ao primeiro, permitindo processador dados. Num transístor esta mudança de estado pode ser feita bilhões de vezes por segundo, porém, a cada mudança de estado é gerada uma certa quantidade de calor e é consumida uma certa quantidade de eletricidade. É por isso que quanto mais rápidos os processadores vão se tornando, mais eles se aquecem e mais energia consomem. Um 386 por exemplo consumia pouco mais de 1 Watt de energia e podia funcionar sem nenhum tipo de resfriamento. Um Athlon já chega a consumir 60 Watts de energia e precisa de no mínimo um bom cooler para funcionar bem. Em compensação o 386 operava a 30 ou 40 MHz enquanto o Athlon opera a até 1.2 GHz.

O funcionamento e um transístor é bastante simples, quase elementar. É como naquele velho ditado "as melhores invenções são as mais simples". As válvulas eram muito mais complexas que os transístores e mesmo assim foram rapidamente substituídas por eles.

Um transístor é composto basicamente de três filamentos, chamados de base, emissor e coletor. O emissor é o polo positivo, o coletor o polo negativo, enquanto a base é quem controla o estado do transístor, que como vimos, pode estar ligado ou desligado.



Quando o transístor está desligado, não existe carga elétrica na base, por isso, não existe corrente elétrica entre o emissor e o coletor. Quanto é aplicada uma certa tensão na base, o circuito é fechado e é estabelecida a corrente entre o emissor e o receptor. É este o significado do termo "semicondutor" o silício pode ser manipulado para atuar como um isolante ou como um condutor, de acordo com a conveniência.

Um transítor sozinho não pode fazer muita coisa, mas ao juntarmos alguns milhares ou milhões, temos um processador.


:. Como são fabricados os processadores

Chegamos à idéia central deste artigo que é mostrar como os processadores são fabricados. As ilustrações são cortesia da Intel.

O componente básico para qualquer chip é o waffer de silício que é obtido através da fusão do silício junto com alguns produtos químicos que permitirão sua dopagem posteriormente. Inicialmente são produzidos cilindros, relativamente grandes, que posteriormente são cortados em fatias bastante finas.



Waffer de silício


Estas "fatias" por sua vez são polidas, obtendo os waffers de silício. A qualidade do waffer determinará o tipo de chip que poderá ser construído com base nele. Para construir um CI com meia dúzia de transístores, pode ser usado um waffer de baixa qualidade, que pode ser comprado a preço de banana de milhares de companias diferentes. Entretanto, para produzir um processador moderno, é preciso de um waffer de altíssima qualidade, estes waffers são extremamente caros, pois poucas companias tem tecnologia para produzi-los.

Cada waffer é usado para produzir vários processadores, que no final da produção são separados e encapsulados individualmente. Não seria possível mostrar todos os processos usados na fabricação de um processador, mas para lhe dar uma boa idéia de como eles são produzidos, vou mostrar passo a passo a construção de um único transístor. Imagine que o mesmo projeto será repetido alguns milhões de vezes, formando um processador funcional.

:. Continua »


 

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