Cómo se fabrica una CPU o una GPU

Escrito por Juan Diego de Usera

Tanto fabricar la CPU para nuestro ordenador, como fabricar la GPU de nuestra tarjeta gráfica, requiere un proceso de producción extremadamente delicado. Tan delicado, que un fallo en dicho proceso de producción, puede llevar a pérdidas de cantidades de dinero muy elevadas para la fábrica. En este artículo veremos cómo es el proceso de fabricación de estos dos semiconductores tan importantes para nuestros equipos.

En la actualidad, el mayor problema con el que se enfrenta la fabricación de procesadores y de GPU es el de la miniaturización de sus componentes. Es decir, el proceso que permite que los transistores que montan las CPU y GPU se hagan mucho más pequeños.

Hay que tener en cuenta que los procesadores actuales llevan en su interior miles de millones de estos transistores, fabricados todos a escala nanométrica. Es la activación y desactivación de estos transistores, miles de veces cada segundo, la que le da el rendimiento a estos componentes. Y, sin embargo, al ser tan diminutos, no se pueden fabricar de la manera habitual a como se fabrican la gran mayoría de transistores que pueden llevar otros tipos de dispositivos eléctricos o electrónicos.

La fotolitografía es la clave para fabricar las CPU y GPU

La solución para crear estos transistores en la oblea de silicio (que es el material con el que se fabrican este tipo de componentes) es el proceso fotolitográfico.

El proceso de fotolitografía (litografía, para abreviar) funciona de una manera muy similar a como funciona el revelado de fotos. Por un lado, tenemos una oblea de cristal de silicio puro y, por el otro, tenemos un diseño eléctrico, que ha sido desarrollado por los ingenieros de proceso. La oblea de silicio se recubre de un material que reacciona con la luz, de manera que las partes que quedan expuestas a ésta, se activan y degradan las partes del silicio que quedan iluminadas. No así las partes a las que no les llega la luz.

Cada oblea pasa por bastantes capas en su proceso hasta llegar a estar completamente terminada. Cada vez que se termina una capa, los huecos que han dejado las zonas expuestas a la luz, donde el material se ha comido el silicio, se rellenan de cobre o se dopan con otro material. Esto forma las vías de datos internas del procesador, que conectan entre sí, los transistores.

Cada oblea se lava por completo entre pasos de este proceso, antes de crear una nueva capa con una nueva máscara para la máquina litográfica. Hay que tener en cuenta que, todavía hoy, la gran mayoría de componentes electrónicos se fabrican de manera planar, es decir, en solo dos dimensiones (como si fueran una hoja de papel). Sin embargo, Intel y otros desarrolladores, están comenzando a experimentar con prototipos de procesadores que se fabrican empleando tres dimensiones.

Las limitaciones de las máquinas de litografía

Las máquinas de litografía, y la propia litografía, también tiene ciertos límites en lo que pueden hacer y las dimensiones de componentes con las que pueden trabajar.

Uno de estos límites aparece, a medida que entramos cada vez más en el terreno de los nanómetros. Y es que, cuando hacemos demasiado pequeños los transistores, estos no pueden trabajar correctamente. A estos tamaños, los electrones pueden atravesar el transistor sin problemas, esté cerrado o no. Este es un problema que se denomina “quantum tunneling“.

Otro problema, del cual probablemente estéis más al tanto, es la resolución de los proyectores que se emplean para imprimar la capa foto resistente de la oblea. Cuanto más pequeña es la escala a la que se trabaja, mayor definición han de tener los proyectores, dado que, en caso contrario, el resultado es una imagen borrosa que no sirve para fabricar el componente. Las fábricas actuales están intentando mitigar este problema con la implementación de nuevas técnicas litográficas como la EUVL (Extreme Ultra Violet Litography). Sin embargo, este tipo de problemas van a seguir presentes en la fabricación de CPU y GPU, siendo más graves cuanto más nos vayamos acercando al tamaño del átomo, al reducir el tamaño de fabricación.

Dado que, en una oblea no todas las dies salen perfectas del proceso de fabricación, lo que hacen los fabricantes es el binning con ellas. En este proceso, se detectan las CPU o GPU que no son capaces de funcionar al 100% y se derivan para crear nuevos componentes de menores prestaciones pero, a su vez, menor precio. Así es como se crean las diferentes gamas de procesadores y núcleos de tarjetas gráficas. Y es parte del éxito que han tenido las arquitecturas a base de chiplets, que AMD está implementando en sus procesadores de arquitectura Zen.

Proceso de empaquetado

Aunque el componente ya esté creado, por el momento no sirve para nada. Esto se debe a que antes ha de pasar por el proceso de empaquetado. No, no nos estamos refiriendo a meterlo en una caja de cartón, acompañado de un disipador OEM. No, nos referimos al proceso de “pegar” la die al PCB, donde se encuentran los pines que harán contacto entre la die y, la placa base o el PCB de la tarjeta gráfica.

Este proceso es muy delicado y, en muchas ocasiones, se lleva a cabo en fábricas diferentes a donde se producen las dies de los componentes. Este es el motivo por el que muchos procesadores y GPU llevan grabados en ellos “Assembled in X

La mayoría de PCB que se emplean en la fabricación de los componentes, denominados “interposers“, son modelos pasivos, es decir, el interposer lo único que hace es redirigir las señales eléctricas desde la die al socket, y viceversa. Sin embargo, también se ha experimentado con los interposers activos, que realizan una gestión de estas señales eléctricas más activa, propiciando un mejor rendimiento. Un ejemplo claro de interposer activo son los chips experimentales Intel Foveros.

Una vez está todo correctamente ensamblado, entonces es cuando se puede mandar a empaquetar el procesador terminado, con sus correspondientes disipadores OEM y en sus correspondientes cajas de cartón. Al menos, para los modelos que se venden de cara al público. Los modelos que se montan en portátiles o dispositivos de telefonía, se mandan a otra fábrica, que será la encargada de soldar estos componentes a sus correspondientes placas base. En el caso de las GPU, es en este momento cuando se mandan a los diferentes socios productores de tarjetas gráficas de AMD o de NVIDIA para que puedan fabricar sus modelos.

Continúa leyendo
  • Victor_Js

    Buen resumen, felicitaciones