Semicondutores: Descubra a tecnologia por trás dos chips

Desde 2020 quando as fábricas desaceleraram ou pararam as produções devido à pandemia causada pelo Covid 19, muito se fala da escassez dos semicondutores. Mas você sabe o que são semicondutores, para que servem e como são produzidos? 

Os semicondutores são materiais que conduzem correntes elétricas e, portanto, são a matéria-prima para a produção dos chips usados em diversos aparelhos eletrônicos, como smartphones, televisões, videogames e computadores.

O que são Semicondutores?

Os semicondutores são materiais sólidos que possuem propriedades elétricas entre condutores (como metais) e isolantes (como plásticos ou vidro). Ou seja, essas propriedades tornam os semicondutores únicos e fundamentais para a fabricação de componentes eletrônicos, especialmente chips de computador. Também conhecidos como microprocessadores, os famosos processadores (CPU) e as unidades centrais de processamento das placas de vídeo (GPU). 

Os semicondutores são geralmente cristais de silício puro, que através da inserção de outros materiais passam a controlar o fluxo de elétrons, ou seja a capacidade de produzir eletricidade. Isso é crucial para a criação de transistores, os blocos de construção básicos dos circuitos integrados. 

Quando os semicondutores são “puros”, seus elétrons (as partículas que transportam a eletricidade) estão todos ocupados, formando uma ligação entre si. Para que esses elétrons se movam e conduzam eletricidade, eles precisam de um empurrãozinho, que pode vir na forma de calor, por exemplo.

Para facilitar ainda mais a condução de eletricidade, os semicondutores passam por um processo chamado “dopagem”. Isso significa adicionar pequenas quantidades de outros materiais para alterar suas propriedades. Após a dopagem, o semicondutor é chamado de “extrínseco”, porque agora ele é capaz de conduzir eletricidade de forma mais eficiente.

Fabricação

Os wafers de silício são feitos de grandes lingotes de silício ultra puro, feito a partir de processos específicos e extraído de materiais como areia e sílica. Os fabricantes de semicondutores usam gigantescas máquinas de fotolitografia de luz ultravioleta para produzir os chips a partir dos wafers. Atualmente a única fabricante deste tipo de equipamento no mundo é a empresa holandesa ASML.

Dessa forma, essas máquinas direcionam uma luz para brilhar através de máscaras que projetam o desenho dos circuitos do semicondutor no wafer. Um conjunto de lentes ópticas reduzem a imagem do circuito a escalas muito pequenas (de até 3 nanômetros por transistor) e a direciona para a superfície do wafer. Eles repetem isso usando uma máscara diferente para cada camada de transistores e conexões do semicondutor até que todo o projeto de circuitos seja impresso completamente no wafer. Depois, eles repetem o processo no mesmo wafer, que recebe a impressão de dezenas ou centenas de pequenos chips individuais no mesmo disco.

As máscaras são usadas como gabaritos para imprimir as diferentes camadas de circuitos em um wafer de silício. Logo depois, introduzem-se outros elementos nos wafers para alterar suas propriedades elétricas, criar transistores e interconexões, além de aplicar acabamentos que proporcionam resistência adicional e os protegem da oxidação.

Preparação de matriz/classificação

Tudo que falamos até então são processos que ocorrem dentro das máquinas da ASML, mas agora vamos falar sobre as partes do semicondutor que são feitas fora delas. Nessas instalações, serras cortam os wafers em milhares de retângulos individuais do tamanho de uma unha, cada um chamado de matriz ou chip de computador. As máquinas de preparação de matrizes classificam e escolhem os chips funcionais e os entregam a outra máquina que os coloca em bobinas para transporte. Estas são enviadas para o setor de montagem e testes.

Teste e Montagem

Aqui, os técnicos pegam cada chip e os testam uma última vez para ter certeza de que os semicondutores estão saudáveis ​​e prontos para uso. Se passarem nos testes, montaremos eles entre um dissipador de calor e um substrato para formar um pacote elegante e fechado, é nessa etapa que eles se tornam como as CPUs que conhecemos. Afinal, a embalagem externa protege a matriz contra danos, calor e contaminantes.

Se você abrir um processador, irá notar que dentro dele há peças retangulares em preto (imagem). Esses são os semicondutores em si, que fixamos em uma placa de circuito impresso convencional que possui um engate (chamado soquete) para fixar o processador na placa-mãe. Diferentes tipos de processadores possuem diferentes tipos de soquete, então muito cuidado ao escolher a combinação placa-mãe x processador.

O que protege isso tudo é uma “capa” metálica que serve também para dissipar calor do processador. Dessa forma, quando utilizados ao máximo, semicondutores podem produzir uma quantidade enorme de calor que precisa ser dissipada, em geral algo feito através de coolers (ventoinhas acopladas a dissipadores metálicos).

Quadro dentro de um computador, o conjunto CPU + placa mãe forma conexões elétricas entre o chip e a placa que fornecem a energia e as conexões necessárias para o processador funcionar e seu computador ligar normalmente.

Armazéns

Assim, os profissionais de logística podem enviar chips diretamente para alguns clientes, como fabricantes de sistemas ou eles os enviam para centros de distribuição globais. A partir desses hubs, os fabricantes de equipamentos originais (como a Razor) recebem os chips em bandejas quando em maior quantidade ou embalados para venda no varejo.

Principais arquiteturas de processadores

Existem muitos tipos diferentes de semicondutores, cada um com sua própria especialidade (e sua própria sigla). Vamos apresentar abaixo alguns exemplos de semicondutores no formato de chips. No geral, eles têm a função de processar, armazenar e receber informações, o que os torna basicamente um “cérebro” para processar informações de qualquer natureza.

FPGA

FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays ou Matriz de Portas Programáveis) são dispositivos que consistem em uma matriz de portas programáveis, permitindo a configuração e reconfiguração de circuitos através de software. Quando um dispositivo precisa de um processamento simples, mas ainda programável, opta-se por usar um FPGA em vez de uma CPU, é mais barato, consome menos energia, mas ainda realiza o que é necessário. Dispositivos de rede como switchs, controles digitais em veículos ou mesmo tecnologias militares usam esse tipo de solução para processar dados.

GPU

A GPU (Graphics Processing Unit ou Unidade de Processamento Gráfico) é uma unidade de processamento especializada em computação gráfica e aceleração de operações. A famosa placa de vídeo é uma GPU, o processador principal dela que é, sendo a placa o conjunto todo que envolve processador de vídeo, memória de vídeo e mais outras partes. Responsáveis por criar e renderizar imagens em dispositivos eletrônicos. As GPUs são essenciais em aplicações que requerem processamento rápido de gráficos e cálculos intensivos, como jogos, visualização científica e simulações computacionais. Atualmente, seu uso também deixou de ser apenas gráfico e passou a incluir o uso como um processador auxiliar ao CPU. Aplicações de inteligência artificial, como o ChatGPT, utilizam muitas GPUs para funcionar.

CPU

A CPU (Central Processing Units ou Unidade Central de Processamento) é frequentemente referida como o cérebro do computador. É o conhecido processador, o responsável por executar e controlar todas as operações do sistema e seus programas. A CPU interpreta instruções básicas de software e realiza cálculos necessários para processar dados. CPU, diferente das GPUs são chamadas de cérebro já que sem uma o computador basicamente não funciona. Dessa forma, é a responsável por distribuir todas as informações e a maneira delas serem processadas nas diferentes partes do computador, incluindo as próprias GPUs.

ASIC

ASIC (Application-Specific Integrated Circuit ou Circuito integrado de aplicação específica) é um tipo de circuito integrado projetado para realizar uma função específica de maneira muito rápida e eficiente. Ou seja, é basicamente o tipo de chip mais utilizado no mundo por ser o mais barato de todos de ser feito. Suas aplicações vão em praticamente qualquer eletrônico, indo de celulares até eletrodomésticos e relógios digitais. Um ASIC sempre otimiza uma aplicação particular, e essa é sua principal diferença (e desvantagem) em relação ao FPGA, que pode ser reprogramado para realizar diferentes tipos de tarefas ou processamentos.

Retomando: O resumo da ópera

Enfim, os semicondutores são chips de discos (wafers) de silício. Tem seus circuitos gravados por processos complexos nas máquinas da empresa holandesa ASML. Em fábricas de semicondutores como a taiwanesa TSMC que possuem dezenas dessas máquinas para produzir, testar e montar diversos tipos de semicondutores para vários tipos de aplicações, sejam eles os mais simples, como um relógio digital, até o processamento de inteligência artificial em grandes datacenters.

Uma única empresa pode realizar seu processo de fabricação do início ao fim. Como por exemplo a Intel, que faz a gravação, corte dos chips, e por fim monta seus próprios CPUs, ou separadamente, como por exemplo a AMD, que não possui fábrica mas faz o projeto do seu processador e terceiriza a fabricação para a TSCM.

Semicondutores: A tecnologia do futuro

Os avanços dos semicondutores tem permitido que os dispositivos sejam cada vez mais rápidos, menores e eficientes. A mais importante invenção desde 1948 são os semicondutores, pois permitem inovações que transformam como vivemos, trabalhamos e nos comunicamos. Compreender seu funcionamento não só nos ajuda a apreciar os dispositivos que usamos, mas também nos prepara para o futuro digital.

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