Aunque la forma en que funcionan las CPUs puede parecer mágica, es el resultado de décadas de ingeniería inteligente. A medida que los transistores -los bloques de construcción de cualquier microchip- se reducen a escalas microscópicas, la forma en que se producen se vuelve cada vez más complicada.
Fotolitografía
Los transistores son ahora tan imposiblemente pequeños que los fabricantes no pueden construirlos usando métodos normales. Mientras que los tornos de precisión e incluso las impresoras 3D pueden hacer creaciones increíblemente intrincadas, por lo general se superponen a los niveles de precisión de los micrómetros (es decir, aproximadamente una treinta milésima de pulgada) y no son adecuados para las escalas nanométricas en las que se construyen los chips actuales.
La fotolitografía resuelve este problema al eliminar la necesidad de mover maquinaria complicada con mucha precisión. En su lugar, utiliza luz para grabar una imagen en el chip, como un retroproyector antiguo que puede encontrar en las aulas, pero al revés, escalando la plantilla a la precisión deseada.
La imagen se proyecta sobre una oblea de silicio, que se mecaniza con una precisión muy alta en laboratorios controlados, ya que cualquier partícula de polvo en la oblea podría suponer una pérdida de miles de dólares. La oblea está recubierta con un material llamado fotoresistente, que responde a la luz y se lava, dejando un grabado de la CPU que puede rellenarse con cobre o doparse para formar transistores. Este proceso se repite muchas veces, construyendo la CPU de forma muy parecida a como una impresora 3D acumularía capas de plástico.
Los problemas con la fotolitografía a nanoescala
Procesadores a escala nanométrica
No importa si puedes hacer los transistores más pequeños si no funcionan realmente, y la tecnología a escala nanométrica tiene muchos problemas con la física. Se supone que los transistores detienen el flujo de electricidad cuando están apagados, pero se están volviendo tan pequeños que los electrones pueden fluir a través de ellos. Esto se llama tunelización cuántica y es un problema masivo para los ingenieros de silicio.
Los defectos son otro problema. Incluso la fotolitografía tiene una tapa en su precisión. Es análoga a una imagen borrosa del proyector; no es tan clara cuando se amplía o se reduce. Actualmente, las fundiciones están tratando de mitigar este efecto utilizando luz ultravioleta “extrema”, una longitud de onda mucho mayor de la que los humanos pueden percibir, utilizando láseres en una cámara de vacío. Pero el problema persistirá a medida que el tamaño vaya disminuyendo.
Los defectos a veces se pueden mitigar con un proceso llamado binning-si el defecto golpea un núcleo de la CPU, ese núcleo está deshabilitado, y el chip se vende como una parte inferior. De hecho, la mayoría de las alineaciones de CPUs se fabrican usando el mismo modelo, pero tienen núcleos deshabilitados y se venden a un precio más bajo. Si el defecto golpea la caché u otro componente esencial, es posible que ese chip tenga que ser desechado, lo que resulta en un menor rendimiento y precios más caros. Los nodos de proceso más nuevos, como 7nm y 10nm, tendrán tasas de defectos más altas y, como resultado, serán más caros.
RELATIVO: ¿Qué significan “7nm” y “10nm” para las CPUs, y por qué son importantes?
Empaquetado
Empaquetar la CPU para uso del consumidor es más que ponerla en una caja con un poco de espuma de poliestireno. Cuando una CPU está terminada, sigue siendo inútil a menos que pueda conectarse al resto del sistema. El proceso de “empaquetado” se refiere al método en el que el delicado troquel de silicona se adhiere al PCB que la mayoría de la gente considera como la “CPU”.
Este proceso requiere mucha precisión, pero no tanto como los pasos anteriores. La matriz de la CPU se monta en una placa de silicio, y las conexiones eléctricas se realizan a todos los pines que hacen contacto con la placa madre. Las CPUs modernas pueden tener miles de pines, y el AMD Threadripper de gama alta tiene 4094 de ellos.
Dado que la CPU produce mucho calor y también debe protegerse de la parte frontal, se monta en la parte superior un “dispersor de calor integrado”. Esto hace contacto con el troquel y transfiere calor a un enfriador que está montado en la parte superior. Para algunos entusiastas, la pasta térmica utilizada para hacer esta conexión no es lo suficientemente buena, lo que hace que la gente se deshaga de sus procesadores para aplicar una solución más Premium.
Una vez que está todo junto, puede ser empaquetado en cajas reales, listo para ponerlo en los estantes y ser introducido en su futura computadora. Con lo compleja que es la fabricación, es una maravilla que la mayoría de las CPUs cuesten sólo un par de cientos de dólares.
Si tienes curiosidad por conocer más información técnica sobre cómo se fabrican las CPUs, consulta las explicaciones de Wikichip sobre los procesos de litografía y las microarquitecturas.
