Todos las usamos pero, ¿sabes cómo se fabrica una CPU?

En la era moderna no podemos concebir la informática sin el procesador, también llamado CPU (Central Processing Unit en inglés). Los utilizamos en los ordenadores, en los smartphones e incluso en la televisión, pero ¿alguna vez te has preguntado cómo se fabrica una CPU? En este artículo te lo vamos a contar con todo lujo de detalles, de manera que puedas entender cómo es el proceso desde su concepción hasta el producto terminado que todos utilizamos.

La concepción que la mayoría de usuarios tienen de un procesador es que es un simple elemento de hardware que se coloca en la placa base y que genera mucho calor. No obstante, un procesador está conformado por miles de elementos complejos que es lo que le permite realizar las operaciones matemáticas necesarias para que todo funcione, ya que al fin y al cabo todo lo que realiza el ordenador debe pasar necesariamente por el procesador, incluyendo lo que procesa la GPU, motivo por el que es tan sumamente importante.

Cómo se fabrica una CPU

Si bien la forma en la que funcionan los procesadores puede parecer mágica, es el resultado de décadas de ingeniería inteligente. A medida que los transistores, los elementos con los que están conformados los procesadores en su mayoría, se reducen a escalas microscópicas, la forma en la que se fabrican las CPU es cada vez más complicada.

La fotolitografía es la que da vida a las CPU

Estamos acostumbrados a ver obleas llenas de decenas de chips que luego son los que se utilizan en los procesadores, pero para llegar a eso hay que pasar por una serie de pasos que comienzan con la fotolitografía.

Oblea

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 unas treinta milésimas de pulgada), pero aun así 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 un chip de silicio, como si fuera un retroproyector antiguo de los que se podían encontrar en las aulas de los colegios pero al revés, reduciendo la escala de la plantilla a la precisión deseada.

Fotolitografía

Así, la imagen se proyecta en una oblea de silicio que se mecaniza con una precisión extremadamente alta en máquinas especiales (las famosas máquinas que fabrica ASML) y en unas condiciones de hermetismo extremo, ya que cualquier mota de polvo en la oblea podría significar que se echara a perder completamente. La oblea está recubierta por un material llamado fotorresistencia, que responde a la luz y reacciona a ella dejando un grabado de la CPU que se puede rellenar con cobre u otros materiales para formar los transistores. Luego, este proceso se repite muchas veces aumentando el tamaño de la CPU de igual manera a como una impresora 3D acumula capas de plástico.

Los problemas con la fotolitografía a nanoescala

No importa si puedes hacer que los transistores sean cada vez más pequeños si éstos no son capaces de funcionar, y la tecnología a nanoescala tiene muchos problemas con la física debido al tamaño. Se supone que los transistores detienen el flujo de electricidad cuando están apagados, pero se están volviendo tan pequeños que a veces los electrones son capaces de fluir a través de ellos. Esto se llama túnel cuántico y es un problema enorme para los ingenieros del silicio.

Los defectos son otro problema; incluso la fotolitografía tiene un límite en su precisión, es algo análogo a una imagen borrosa del proyector, que no muestra una imagen tan clara cuando se amplía o se reduce. Actualmente, las fábricas de silicio están tratando de mitigar este efecto utilizando la tecnología EUV (luz ultra violeta extrema), una longitud de onda mucho más alta de la que los humanos podemos percibir, usando láseres en una cámara de vacío. No obstante, este problema persistirá a medida que el tamaño siga reduciéndose.

Máquina EUV

A veces, los defectos se pueden mitigar con un proceso llamado binning: si el defecto afecta a un núcleo de la CPU, ese núcleo se desactiva y el chip se vende como una pieza de gama inferior. De hecho, la mayoría de las líneas de CPU se fabrican utilizando el mismo modelo, pero tienen núcleos desactivados porque han salido con defectos y por ello se venden a un precio más bajo como un producto de gama inferior.

Si el defecto golpea por ejemplo la memoria caché u otro componente esencial, es probable que el chip deba desecharse, lo que da como resultado un rendimiento de fabricación más bajo y por ende unos precios más elevados. Los nodos de proceso actuales, como los de 7 e incluso 10 nanómetros, tienen tasas de rendimiento más altas que los nodos de 5 nm y por lo tanto sucede al contrario, su precio es más bajo.

El empaque, esencial en el proceso de cómo se fabrica una CPU

Siguiendo con el proceso de cómo se fabrica una CPU, una vez que tenemos los chips ya listos es necesario empaquetarlos para el uso del consumidor, y esto es mucho más que simplemente ponerlos 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, así que el proceso de «empaque» o «empaquetado» se refiere al método en el que la delicada matriz de silicio (el die) se une al PCB que la mayoría de la gente considera como la CPU.

Este proceso requiere mucha precisión, pero obviamente 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 el socket de la placa base. Las CPU modernas pueden tener miles de pines, como por ejemplo los procesadores AMD Threadripper que cuentan con 4096 de ellos.

Dado que la CPU produce mucho calor y también debe proteger su integridad en el otro lado, se monta un difusor de calor integrado o IHS en inglés en la parte superior. Esto hace contacto con la matriz y transfiere el calor fuera de ésta, que luego refrigeramos nosotros utilizando un disipador para CPU. Para algunos entusiastas la pasta térmica utilizada para hacer esta conexión no es lo suficientemente buena, lo que hace que algunos decidan realizar un proceso de delid al procesador.

Una vez que está todo armado, se puede empaquetar ahora sí en cajas reales, listo para llegar a los estantes de las tiendas y montarse en nuestros ordenadores. Ahora que ya sabes cómo se fabrica una CPU y la complejidad de su fabricación, es una maravilla que la mayoría de las CPU modernas solo cuesten unos cientos de euros, ¿verdad?

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