El mundo funciona con información, y se calcula que la humanidad crea 2,5 millones de terabytes de datos al día. Sin embargo, todos estos datos son inútiles a menos que podamos procesarlos, por lo que, posiblemente, una de las cosas sin las que el mundo moderno no puede vivir son los procesadores.
Pero, ¿cómo se fabrica un procesador? ¿Por qué es una maravilla moderna? ¿Cómo puede un fabricante meter miles de millones de transistores en un paquete tan pequeño? Profundicemos en cómo Intel, uno de los mayores fabricantes de chips del mundo, crea una CPU a partir de la arena.
Extraer el silicio de la arena
El ingrediente base de cualquier procesador, el silicio, se extrae de la arena del desierto. Este material se encuentra en abundancia en la corteza terrestre y se compone de entre un 25% y un 50% de dióxido de silicio. Se procesa para separar el silicio de todos los demás materiales de la arena.
El proceso se repite varias veces hasta que el fabricante obtiene una muestra con una pureza del 99,9999%. El silicio purificado se vierte para formar un lingote cilíndrico de grado electrónico. El diámetro del cilindro es de 300 mm y pesa unos 100 kg.
A continuación, el fabricante corta el lingote en obleas de 925 micrómetros de grosor. A continuación, se pule hasta conseguir un acabado de espejo, eliminando todos los defectos e imperfecciones de su superficie. Estas obleas acabadas se envían a la planta de fabricación de semiconductores de Intel para transformar una placa de silicio en un cerebro informático de alta tecnología.
La autopista FOUP
Como los procesadores son piezas de alta precisión, su base de silicio puro no debe contaminarse antes, durante o después de la fabricación. Aquí es donde entran en juego las vainas unificadas de apertura frontal (FOUP). Estas cápsulas automatizadas tienen capacidad para 25 obleas a la vez, manteniéndolas seguras y protegidas en un espacio ambientalmente controlado cuando se transportan las obleas entre las máquinas.
Además, cada oblea puede pasar por los mismos pasos cientos de veces, a veces yendo de un extremo a otro del edificio. Todo el proceso está integrado en las máquinas, de modo que la FOUP sabe adónde ir en cada paso.
Además, las FOUP viajan sobre monorraíles que cuelgan del techo, lo que les permite llevar la pieza más rápida y eficiente de un paso de fabricación a otro.
Fotolitografía
Planarización químico-mecánica
Cada capa del procesador se somete a una planarización químico-mecánica, también conocida como pulido, para eliminar el exceso de materiales. Una vez eliminada la capa superior, queda al descubierto el patrón de cobre subyacente, lo que permite al fabricante crear más capas de cobre para conectar los distintos transistores según sea necesario.
Aunque los procesadores parecen increíblemente finos, suelen tener más de 30 capas de circuitos complejos. Esto le permite ofrecer la potencia de procesamiento que requieren las aplicaciones actuales.
Comprobación, corte y clasificación
Una oblea de silicio puede pasar por todos los procesos anteriores para crear un procesador. Una vez que la oblea de silicio completa ese viaje, comienza la prueba. En este proceso se comprueba la funcionalidad de cada pieza creada en la oblea, si funciona o no.
Una vez hecho esto, la oblea se corta en trozos llamados “die”. A continuación, se clasifican los troqueles que funcionan y pasan a ser empaquetados, mientras que los que fallan se descartan.
Convertir el troquel de silicio en un procesador
Este proceso, llamado empaquetado, transforma las matrices en procesadores. Se coloca un sustrato, normalmente una placa de circuito impreso, y un disipador de calor sobre la matriz para formar la CPU que se compra. El sustrato es el lugar en el que el chip se conecta físicamente a la placa base, mientras que el disipador de calor se conecta al ventilador de CC o PWM de la CPU.
Pruebas y control de calidad
Los procesadores terminados se someten de nuevo a pruebas, pero esta vez de rendimiento, potencia y funcionalidad. Esta prueba determina qué tipo de chip será: sies bueno que sea un procesador i3, i5, i7 o i9. A continuación, los procesadores se agrupan en función de ello para su embalaje en tiendas o se colocan en bandejas para su entrega a los fabricantes de ordenadores.
Microscópicamente pequeños pero inmensamente complicados
Aunque los procesadores parecen sencillos desde fuera, son inmensamente complicados. La fabricación de procesadores lleva de dos meses y medio a tres meses de procesos ininterrumpidos. Y a pesar de la gran precisión de la ingeniería que hay detrás de estos chips, no hay garantía de que se consiga una oblea perfecta.
De hecho, los fabricantes de procesadores pueden perder entre el 20% y el 70% de los troqueles de una oblea debido a las imperfecciones, los contaminantes, etc. Este valor se ve aún más afectado por los procesos de CPU cada vez más pequeños, con los chips más recientes de hasta 4 nm.
Sin embargo, tal y como establece la Ley de Moore, aún podemos esperar que el rendimiento de los procesadores se duplique cada dos años hasta 2025. Hasta que los procesadores alcancen el techo fundamental del tamaño del átomo, todos estos procesos de fabricación deberán hacer frente a los diseños para producir el chip que demandamos.
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