Si bien la forma en que funcionan las CPU puede parecer mágica, es el resultado de décadas de ingeniería inteligente. A medida que los transistores, los componentes básicos de cualquier microchip, se reducen a escalas microscópicas, la forma en que se producen se vuelve cada vez más complicada.
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Fotolitografía
Los transistores son ahora tan increíblemente pequeños que los fabricantes no pueden construirlos con métodos normales. Si bien los tornos de precisión e incluso las impresoras 3D pueden hacer creaciones increíblemente complejas, generalmente alcanzan niveles de precisión micrométricos (eso es aproximadamente una treinta milésima de pulgada) y no son adecuados para las escalas nanométricas en las que se fabrican los chips de hoy.
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, reduciendo la escala de la plantilla a la precisión deseada.
La imagen se proyecta en una oblea de silicio, que se mecaniza con una precisión muy alta en laboratorios controlados, ya que cualquier mota de polvo en la oblea podría significar perder miles de dólares. La oblea está recubierta con un material llamado fotorresistente, que responde a la luz y se lava, dejando un grabado de la CPU que se puede rellenar con cobre o dopado para formar transistores. Luego, este proceso se repite muchas veces, aumentando la CPU de manera similar a como una impresora 3D acumula capas de plástico.
Los problemas con la fotolitografía a nanoescala
No importa si puede hacer que los transistores sean más pequeños si en realidad no funcionan, y la tecnología a nanoescala se enfrenta a 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. Se llama tunelización cuántica y es un problema enorme para los ingenieros de silicio.
Los defectos son otro problema. Incluso la fotolitografía tiene un límite en su precisión. Es análogo a una imagen borrosa del proyector; no es tan claro cuando se infla o se encoge. Actualmente, las fundiciones están tratando de mitigar este efecto utilizando Luz ultravioleta «extrema», una longitud de onda mucho más alta que la que los humanos pueden percibir, utilizando láseres en una cámara de vacío. Pero el problema persistirá a medida que el tamaño se reduzca.
A veces, los defectos se pueden mitigar con un proceso llamado binning: si el defecto golpea un núcleo de CPU, ese núcleo se desactiva y el chip se vende como una pieza de gama baja. De hecho, la mayoría de las líneas de CPU se fabrican con el mismo modelo, pero tienen núcleos desactivados y se venden a un precio más bajo. Si el defecto golpea la memoria caché u otro componente esencial, es posible que ese chip deba desecharse, lo que da como resultado un rendimiento menor y precios más caros. Los nodos de proceso más nuevos, como 7 nm y 10 nm, tendrán tasas de defectos más altas y, como resultado, serán más costosos.
Empaquetarlo
Empaquetar la CPU para uso del consumidor es más que simplemente ponerla en una caja con un poco de espuma de poliestireno. Cuando una CPU está terminada, sigue siendo inútil a menos que se pueda conectar al resto del sistema. El proceso de «empaquetado» se refiere al método en el que la delicada matriz de silicio se une a la PCB que la mayoría de la gente considera la «CPU».
Este proceso requiere mucha precisión, pero no tanto como los pasos anteriores. La matriz de la CPU está montada en una placa de silicio y las conexiones eléctricas se ejecutan en todos los pines que hacen contacto con la placa base. Las CPU 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 desde el frente, se monta un “difusor de calor integrado” en la parte superior. 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 resulta en personas delidding sus procesadores para aplicar una solución más premium.
Una vez que esté todo armado, se puede empaquetar en cajas reales, listo para llegar a los estantes y colocarse en su futura computadora. Con lo compleja que es la fabricación, es una maravilla que la mayoría de las CPU cuestan solo un par de cientos de dólares.
Si tiene curiosidad por conocer aún más información técnica sobre cómo se fabrican las CPU, consulte las explicaciones de Wikichip sobre procesos de litografía y microarquitecturas.