Como os Chips so fabricados

Como os Chips so fabricados Voc j parou para pensar como os processadores, processadores de vdeo, memrias, chipsets, etc so criados e fabricados? O processo de fabricao de semicondutores pode ser resumido nos seguintes passos:

Projeto do Chip Fabricao do Wafer Preparao do ncleo Encapsulamento Teste

Como os Chips so fabricados Projeto do Chip: Onde os engenheiros projetam o chip, ou seja, como o chip ir funcionar. Desta etapa vm vrias mscaras (que so uma espcie de planta de como o chip deve ser fabricado) que sero usadas na fabricao do wafer. Fabricao do Wafer: Este o principal processo de fabricao de um chip, que explicaremos em detalhes mais adiante. Preparao do Ncleo: Este passo consiste basicamente em cortar os chips do wafer. Encapsulamento: Neste passo os terminais e o invlucro so adicionados ao chip. Teste: O chip testado e ento vendido.

Processo de Fabricao do Wafer Virgem O wafer o principal elemento usado na fabricao dos chips. O wafer virgem feito de silcio puro, que extrado da areia de praia. O wafer criado atravs de um mtodo, onde um pedao de cristal de silcio colocado em uma vareta e ento mergulhado em silcio derretido. A vareta suspensa e girada ao mesmo tempo, formando um grande cilindro de cristal de silcio, tambm conhecido como lingote (ou ingot, em ingls). O lingote resultante deste processo mede de um a dois metros de comprimento e pode ter at 300 mm de dimetro ( da que vem termos como wafer de 300 mm). O lingote ento fatiado em wafers. Esses wafers so polidos e enviados para a fabricao do chip. Em cima deste wafer virgem que os chips sero fabricados.

Processo de Fabricao do Wafer Virgem

Processo de Fabricao do Wafer Virgem

O lingote fatiado para criar o wafer virgem.

Fotolitografia Os chips so fabricados no wafer atravs de um processo chamado fotolitografia. Neste processo, produtos qumicos sensveis luz ultravioleta so usados. Quando expostos luz ultravioleta, eles podem se tornar moles ou duros. Este processo consiste basicamente em bloquear a luz ultravioleta dos produtos qumicos no wafer usando uma mscara (as tais mscaras criadas pelos engenheiros), removendo as partes moles, e ento repetindo o processo novamente com uma outra mscara, at a fabricao do chip ser finalizada.

Fotolitografia

Fotolitografia A primeira coisa que feita no wafer virgem a aplicao de dixido de silcio (SiO2), atravs da exposio do wafer a gs e calor extremo. Este processo similar a forma como os metais enferrujam-se quando molhados, mas este processo acontece de maneira bem mais rpida. No passo seguinte, o wafer coberto por uma substncia fotossensvel, que solvel quando exposta luz ultravioleta. A primeira mscara aplicada e o wafer exposto luz ultravioleta. A parte mole da substncia fotossensvel removida usando solvente e ento partes da camada de dixido de silcio que foi revelada removida em um processo chamado etching. O resto da camada fotossensvel removido, ento temos agora o wafer com uma camada de dixido de silcio com a mesma forma da primeira mscara.

Fotolitografia Uma outra camada de dixido de silcio aplicada no wafer e uma camada de polisilcio aplicada por cima. Em seguida uma outra camada de substncia fotossensvel aplicada. A segunda mscara aplicada e o wafer exposto luz ultravioleta novamente. A parte mole da camada fotossensvel removida usando solvente e ento as partes da camada de polisilcio e de dixido de silcio que foram reveladas so removidas usando o processo chamado etching. O resto da camada fotossensvel removido e agora temos o wafer com uma camada de dixido de silcio com a mesma forma da primeira mscara e em cima dela uma camada de polisilcio e de dixido de silcio com a mesma forma da segunda mscara.

Fotolitografia Aps esses passos, um processo chamado dopagem (ou ionizao) acontece. Aqui reas expostas do wafer so bombardeadas com vrios ons, para alterar a forma como essas reas conduzem eletricidade. As reas expostas sero transformadas em semicondutor do tipo P (carga positiva) ou o tipo N (carga negativa), dependendo do produto qumico usado: fsforo, antimnio e arsnico so geralmente usados para criar semicondutores do tipo N, enquanto que bromo, ndio e glio so geralmente usados para criar camadas de semicondutor P. O empilhamento de camadas com materiais do tipo P e N que criaro os transistores.

Fotolitografia

Transistores contrudos dentro do chip e as conexes metlicas entre eles.

Fotolitografia O processo de aplicao das camadas e mscaras repetido, seguindo o layout da prxima mscara. Um metal ento aplicado ao wafer, preenchendo eventuais buracos que foram criados para fazer a conexo eltrica entre as camadas. Um outro processo de aplicao de mscara e remoo (etching) so feitos e as conexes eltricas so estabelecidas. Este processo repetido novamente at o chip ficar pronto, isto , at que todas as mscaras sejam aplicadas. O processo de fabricao exato e nmero de camadas depende do componente sendo fabricado. Por exemplo, um processador Pentium 4 usa 26 mscaras e 7 camadas de metal.

Fotolitografia

Wafer com processadores Pentium 4 aps o processo de fabricao.

Est Pronto! Os chips no wafer so ento testados e o wafer enviado para o prximo passo no processo de fabricao, onde os chips so cortados, recebem seus terminais e so encapsulados. Aps isso, eles so testados, rotulados e vendidos. SALA LIMPA Todos os processos descritos acontecem dentro de uma sala limpa. Voc j pode ter visto algumas fotos de pessoas trabalhando dentro de uma sala limpa com roupas especiais, chamadas roupas de coelhinhos(bunny suits).

Sala Limpa

Sala Limpa Como estamos falando sobre transistores microscpicos, at mesmo a menor pequena partcula de poeira pode contaminar e destruir o chip. Veja alguns exemplos:

Wafer com Processadores Intel

Videos Dois videos demonstram os passos estudados. Fim!

PRXIMA AULA APRESENTAES DOS TRABALHOS E INTRODUO

PROCESSADORES

PROCESSADORES Os processadores (ou CPU) so chips responsveis pela execuo de clculos, decises lgicas e instrues que resultam em todas as tarefas que um computador pode fazer. Por este motivo, so tambm referenciados como "crebros" destas mquinas. Apesar de no haver um nmero muito grande de fabricantes - a maior parte do mercado est concentrada nas mos da Intel e da AMD, com companhias como Samsung e Qualcomm se destacando no segmento mvel -, existe uma grande variedade de processadores, para os mais variados fins. Apesar disso e das diferenas existentes entre cada modelo, a maioria dos chips compartilha determinadas caractersticas.

Barramentos A imagem a seguir ilustra um esquema hipottico (e bastante abstrato) de comunicao entre o processador, a memria e o conjunto de dispositivos de entrada e sada, representando o funcionamento bsico do computador. Note que a conexo entre estes itens indicada por setas. Isso feito para que voc possa entender a funo dos barramentos (bus).

Barramentos

Barramentos De maneira geral, os barramentos so responsveis pela interligao e comunicao dos dispositivos em um computador. Note que, para o processador se comunicar com a memria e o conjunto de dispositivos de entrada e sada, h trs setas, isto , barramentos: um se chama barramento de endereos (address bus); outro, barramento de dados (data bus); o terceiro, barramento de controle (control bus). O barramento de endereos, basicamente, indica de onde os dados a serem processados devem ser retirados ou para onde devem ser enviados. A comunicao por este meio unidirecional, razo pela qual s h seta em uma das extremidades da linha no grfico que representa a sua comunicao.

Barramentos Como o nome deixa claro, pelo barramento de dados que as informaes transitam. Por sua vez, o barramento de controle faz a sincronizao das referidas atividades, habilitando ou desabilitando o fluxo de dados, por exemplo. Para voc compreender melhor, imagine que o processador necessita de um dado presente na memria. Pelo barramento de endereos, a CPU obtm a localizao deste dado dentro da memria. Como precisa apenas acessar o dado, o processador indica pelo barramento de controle que esta uma operao de leitura. O dado ento localizado e inserido no barramento de dados, por onde o processador, finalmente, o l.

Clock Interno Em um computador, todas as atividades necessitam de sincronizao. O clock interno (ou apenas clock) serve justamente a este fim, ou seja, basicamente, atua como um sinal para sincronismo. Quando os dispositivos do computador recebem o sinal de executar suas atividades, d-se a esse acontecimento o nome de "pulso de clock". Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas, param e vo para o prximo ciclo de clock. A medio do clock feita em hertz (Hz), a unidade padro de medidas de frequncia, que indica o nmero de oscilaes ou ciclos que ocorre dentro de uma determinada medida de tempo, no caso, segundos. Assim, se um processador trabalha 800 Hz, por exemplo, significa que ele capaz de lidar com 800 operaes de ciclos de clock por segundo.

Clock Interno Repare que, para fins prticos, a palavra kilohertz (KHz) utilizada para indicar 1000 Hz, assim como o termo megahertz (MHz) usado para referenciar 1000 KHz (ou 1 milho de hertz). De igual forma, gigahertz (GHz) a denominao usada quando se tem 1000 MHz e assim por diante. Com isso, se um processador conta com, por exemplo, uma frequncia de 800 MHz, significa que pode trabalhar com 800 milhes de ciclos por segundo. Neste ponto, voc provavelmente deve ter entendido que daqui que vem expresses como "processador Intel Core i5 de 2,8 GHz", por exemplo.

FSB (Front Side Bus) Voc j sabe: as frequncias com as quais os processadores trabalham so conhecidas como clock interno. Mas, os processadores tambm contam com o que chamamos de clock externo ou Front Side Bus (FSB) ou, ainda, barramento frontal. O FSB existe porque, devido a limitaes fsicas, os processadores no podem se comunicar com o chipset e com a memria RAM - mais precisamente, com o controlador da memria, que pode estar na ponte norte (northbridge) do chipset - utilizando a mesma velocidade do clock interno. Assim, quando esta comunicao feita, o clock externo, de frequncia mais baixa, que entra em ao.

FSB (Front Side Bus) Note que, para obter o clock interno, o processador faz uso de um procedimento de multiplicao do clock externo. Para entender melhor, suponha que um determinado processador tenha clock externo de 100 MHz. Como o seu fabricante indica que este chip trabalha 1,6 GHz (ou seja, tem clock interno de 1,6 GHz), seu clock externo multiplicado por 16: 100 x 16 = 1600 MHz ou 1,6 Ghz.

FSB (Front Side Bus)

FSB (Front Side Bus) Importante: Processadores diferentes - Intel e AMD - com clocks iguais, 3,2 Ghz por exemplo, no significa que ambos trabalham com a mesma velocidade. Cada um tem projeto distinto e conta com caractersticas que determinam o quo rpido podem ser. Assim, um pode levar, por exemplo, 2 ciclos de clock para executar uma instruo. E em outro, esta mesma instruo pode requerer 3 ciclos. Vale ressaltar que muitos processadores transferem 2 ou mais dados por ciclo de clock, dando a entender que ele dobra a sua velocidade, EX.: 133 MHz, o faz 266 MHz. Por este e outros motivos, um erro considerar apenas o clock interno.

QuickPath Interconnect (QPI) e HyperTransport Dependendo do processador, outra tecnologia pode ser utilizada no lugar do FSB. Um exemplo o QuickPath Interconnect (QPI), utilizado nos chips mais recentes da Intel, e o HyperTransport, aplicado nas CPUs da AMD. Estas mudanas de tecnologias so necessrias porque, com o passar do tempo, a busca por melhor desempenho faz com que os processadores sofram alteraes considerveis em sua arquitetura. Uma dessas mudanas diz respeito ao j mencionado controlador de memria, circuito responsvel por "intermediar" o uso da memria RAM pelo processador. Nas CPUs mais atuais da Intel e da AMD, o controlador est integrado ao prprio chip e no mais ao chipset localizado na placa-me.

QuickPath Interconnect (QPI) e HyperTransport Com esta integrao, os processadores passam a ter um barramento direto memria. O QPI e o HyperTransport acabam ento ficando livres para fazer a comunicao com os recursos que ainda so intermediados pelo chipset, como dispositivos de entrada e sada. O interessante que tanto o QuickPath quanto o HyperTransport trabalham com duas vias de comunicao, de forma que o processador possa transmitir e receber dados ao mesmo tempo, j que cada atividade direcionada a uma via, beneficiando o aspecto do desempenho. No FSB isso no acontece, porque h apenas uma nica via para a comunicao.

QuickPath Interconnect (QPI) e HyperTransport

Bits dos Processadores O nmero de bits outra importante caracterstica dos processadores e, naturalmente, tem grande influncia no desempenho deste dispositivo. Processadores mais antigos, como o 286, trabalhavam com 16 bits. Durante muito tempo, os processadores de 32 bits foram utilizados, como as linhas Pentium, PII, PIII e P4 da Intel ou Athlon XP e Duron da AMD. Hoje alguns modelos de 32 bits ainda so encontrados no mercado, todavia, o padro atual so os processadores de 64 bits, como os da linha Core i7, da Intel, ou Phenom, da AMD. Em resumo, quanto mais bits internos o processador possuir, mais rapidamente ele poder fazer clculos e processar dados em geral. Isso acontece porque os bits dos processadores representam a quantidade de dados que os circuitos desses dispositivos conseguem trabalhar por vez.

Bits dos Processadores Um processador com 16 bits, por exemplo, pode manipular um nmero de valor at 65.535. Se este processador tiver que realizar uma operao com um nmero de valor 100.000, ter que fazer a operao em duas partes. No entanto, se um chip trabalha a 32 bits, ele pode manipular nmeros de valor at 4.294.967.295 em uma nica operao. Como este valor superior a 100.000, a operao pode ser realizada em uma nica vez.

Memria Cache Os processadores passam por aperfeioamentos constantes, o que os tornam cada vez mais rpidos e eficientes. No entanto, o mesmo no se pode dizer das tecnologias de memria RAM. Embora tambm passem por melhorias, no conseguem acompanhar os processadores em termos de velocidade. Assim sendo, de nada adianta ter um processador rpido se este tem o seu desempenho comprometido por causa da "lentido" da memria. Uma soluo para este problema seria equipar os computadores com um tipo de memria mais sofisticado, como a SRAM (Static RAM). Esta se diferencia das memrias convencionais DRAM (Dynamic RAM) por serem muito rpidas. Por outro lado, so muito mais caras e no contam com o mesmo nvel de miniaturizao, sendo, portanto, inviveis.

Memria Cache A memria cache consiste em uma pequena quantidade de memria SRAM embutida no processador. Quando este precisa ler dados na memria RAM, um circuito especial chamado "controlador de cache" transfere blocos de dados muito utilizados da RAM para a memria cache. Assim, no prximo acesso do processador, este consultar a memria cache, que bem mais rpida, permitindo o processamento de dados de maneira mais eficiente. Se o dado estiver na memria cache, o processador a utiliza, do contrrio, ir busc-lo na memria RAM. Perceba que, com isso, a memria cache atua como um intermedirio, isto , faz com que o processador nem sempre necessite chegar memria RAM para acessar os dados dos quais necessita.

Memria Cache Os processadores trabalham, basicamente, com dois tipos de cache: cache L1 (Level 1 - Nvel 1) e cache L2 (Level 2 Nvel 2). Este ltimo , geralmente mais simples, costuma ser ligeiramente maior em termos de capacidade, mas tambm um pouco mais lento. O cache L2 passou a ser utilizado quando o cache L1 se mostrou insuficiente. Antigamente, um tipo se distinguia do outro pelo fato de a memria cache L1 estar localizada junto ao ncleo do processador, enquanto que a cache L2 ficava localizada na placa-me. Atualmente, ambos os tipos ficam localizados dentro do chip do processador, sendo que, em muitos casos, a cache L1 dividida em duas partes: "L1 para dados" e "L1 para instrues".

Memria Cache

Memria Cache Dependendo da arquitetura do processador, possvel encontrar modelos que contam com um terceiro nvel de cache (L3). O processador Intel Core i7 3770, por exemplo, possui caches L1 e L2 relativamente pequenos para cada ncleo: 64 KB e 256 KB, respectivamente. No entanto, o cache L3 expressivamente maior - 8 MB - e, ao mesmo tempo, compartilhado por todos os seus quatros ncleos. Mas o cache L3 no , necessariamente, novidade: a AMD chegou a ter um processador em 1999 chamado K6-III que contava com cache L1 e L2 internamente, caracterstica incomum poca, j que naquele tempo o cache L2 se localizava na placa-me, como j explicado. Com isso, esta ltima acabou assumindo o papel de cache L3.

Processadores com dois ou mais ncleos possvel encontrar no mercado placas-me que contam com dois ou mais soquetes (encaixes) para processadores. A maioria esmagadora destas placas so usadas em computadores especiais, como servidores e workstations, equipamentos direcionados a aplicaes que exigem muito processamento. Para atividades domsticas e de escritrio, no entanto, computadores com dois ou mais processadores so inviveis devido aos elevados custos que arquiteturas do tipo possuem, razo pela qual conveniente a estes segmentos o uso de processadores cada vez mais rpidos.

Processadores com dois ou mais ncleos At um passado no muito distante, o usurio tinha noo do quo rpido eram os processadores de acordo com a taxa de seu clock interno. O problema que, quando um determinado valor de clock alcanado, torna-se mais difcil desenvolver outro chip com clock maior. Limitaes fsicas e tecnolgicas so os principais motivos para isso. Uma delas a questo da temperatura: teoricamente, quanto mais megahertz um processador tiver, mais calor o dispositivo gerar. Uma das formas encontradas pelos fabricantes para lidar com esta limitao consiste em fabricar e disponibilizar processadores com dois ncleos (dual core), quatro ncleos (quad core) ou mais (multi core). Mas, o que isso significa?

Processadores com dois ou mais ncleos CPUs deste tipo contam com dois ou mais ncleos distintos no mesmo circuito integrado, como se houvesse dois (ou mais) processadores dentro de um chip. Assim, o dispositivo pode lidar com dois processos por vez (ou mais), um para cada ncleo, melhorando o desempenho do computador como um todo. Note que, em um chip de nico ncleo (single core), o usurio pode ter a impresso de que vrios processos so executados simultaneamente, j que a mquina est quase sempre executando mais de uma aplicao ao mesmo tempo. Na verdade, o que acontece que o processador dedica determinados intervalos de tempo a cada processo e isso acontece de maneira to rpida, que se tem a impresso de processamento simultneo.

Processadores com dois ou mais ncleos Processadores multi core oferecem vrias vantagens: podem realizar duas ou mais tarefas ao mesmo; um ncleo pode trabalhar com uma velocidade menor que o outro, reduzindo a emisso de calor; ambos podem compartilhar memria cache; entre outros. A ideia deu to certo que, hoje, possvel encontrar processadores com dois ou mais ncleos inclusive em dispositivos mveis, como tablets e smartphones. interessante reparar que os ncleos de um processador no precisam ser utilizados todos ao mesmo tempo. Alm disso, apesar de serem tecnicamente iguais, possvel fazer com que determinados ncleos funcionem de maneira alterada em relao aos outros.

Processadores com dois ou mais ncleos Um exemplo disso a tecnologia Turbo Boost, da Intel: se um processador quad core, por exemplo, tiver dois ncleos ociosos, os demais podem entrar automaticamente em um modo "turbo" para que suas frequncias sejam aumentadas, acelerando a execuo do processo em que trabalham. A prxima imagem exibe uma montagem que ilustra o interior de um processador Intel Core 2 Extreme Quad Core (ncleos destacado na cor amarela):

Intel Core 2 Extreme Quad Core