Microprocesador: Fabricación e Historia

Un componente electrónico conocido como unidad central de procesamiento, es responsable de gobernar las tareas de cálculo en un ordenador, se le conoce como microprocesador. Además, en sistemas informáticos de alta gama como aviones, automóviles o impresoras, también se emplean estos dispositivos electrónicos.

Introducción

El microprocesador es un tipo de circuito altamente compacto. Los circuitos integrados, también denominados como microchips o chips, son circuitos electrónicos elaborados mediante componentes muy pequeños dispuestos en una única pieza plana de poco grosor de un material semiconductor. Algunos microprocesadores incluyen más de diez millones de transistores, que tienen la función de amplificar señales eléctricas, oscilar o, en su mayoría, actuar como interruptores. Además de los transistores, estos circuitos contienen otros componentes como resistencias, diodos, condensadores y conexiones, todo ello situado en una superficie similar a la de un sello postal.

El microprocesador es un tipo de circuito altamente compacto. Los circuitos integrados, también denominados como microchips o chips, son circuitos electrónicos elaborados mediante componentes muy pequeños dispuestos en una única pieza plana de poco grosor de un material semiconductor. Algunos microprocesadores incluyen más de diez millones de transistores, que tienen la función de amplificar señales eléctricas, oscilar o, en su mayoría, actuar como interruptores. Además de los transistores, estos circuitos contienen otros componentes como resistencias, diodos, condensadores y conexiones, todo ello situado en una superficie similar a la de un sello postal.

Los microprocesadores de mayor complejidad a menudo incluyen otras partes, como secciones de memoria especializadas llamadas "caché", diseñadas para acelerar el acceso a dispositivos externos de almacenamiento de datos. Los microprocesadores actuales emplean un ancho de bus de 64 bits (un bit es un dígito binario que representa una unidad de información que puede ser un uno o un cero), permitiendo la transmisión simultánea de 64 bits de datos.

Dentro de la computadora, un cristal oscilante emite una señal de sincronización, también conocida como señal de reloj, que sincroniza todas las operaciones del microprocesador. La velocidad de reloj de los microprocesadores más modernos oscila en torno a los 800 megahercios (MHz) —equivalentes a 800 millones de ciclos por segundo—, lo que permite ejecutar más de 1.000 millones de instrucciones por segundo.

Fabricación de Microprocesadores

La fabricación de microprocesadores implica técnicas similares a las utilizadas para la elaboración de otros circuitos integrados, como los chips de memoria. Sin embargo, los microprocesadores poseen una estructura más intrincada que otros tipos de chips, y su producción requiere de técnicas extremadamente precisas.

La producción económica de microprocesadores requiere su fabricación a gran escala. Sobre una oblea de silicio, se crean cientos de grupos de circuitos simultáneamente. El proceso de fabricación de los microprocesadores implica la sucesión de capas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, depositadas y eliminadas en un proceso repetitivo de cientos de pasos, hasta que se consigue una estructura compleja y conectada, que contiene todos los circuitos del microprocesador en un conjunto denominado "sándwich".

En la producción del circuito electrónico, solo se utiliza la capa superficial de la oblea de silicio, que tiene un grosor de aproximadamente 10 micras (0,01 mm, lo que representa una décima parte del espesor de un cabello humano). El proceso de fabricación de microprocesadores incluye diversas etapas, entre ellas la creación del sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica y la deposición de capas.

La fase inicial del proceso de fabricación de un microprocesador es la creación de un sustrato extremadamente puro de silicio, que consiste en una oblea circular de silicio pulida para que quede completamente lisa, similar a un espejo. En la actualidad, las obleas más grandes utilizadas en la producción de microprocesadores tienen un diámetro de 200 mm.

En la etapa de creación de dieléctrico, se incorpora una capa no conductora al circuito llamada dieléctrico. El dieléctrico más utilizado en el proceso es el dióxido de silicio, que se forma exponiendo la oblea de silicio a una atmósfera de oxígeno en un horno a unos 1.000 °C. Durante el proceso, el silicio se combina con el oxígeno para formar una capa delgada de óxido que mide unos 75 ángstroms de espesor (un ángstrom equivale a una diezmilmillonésima de metro).

La mayoría de las capas depositadas en la oblea deben coincidir con la forma y disposición de los componentes electrónicos, como los transistores. Esto se logra generalmente mediante un proceso denominado litografía, que implica convertir la oblea en una especie de película fotográfica y proyectar una imagen del circuito deseado sobre ella.

Para ello se aplica una capa sensible a la luz sobre la oblea de silicio que cambia sus propiedades cuando se expone a la luz. La resolución de los detalles del circuito puede ser tan pequeña como 0,25 micras, lo que requiere el uso de luz ultravioleta de longitud de onda corta, ya que la luz visible tiene una longitud de onda mínima de 0,5 micras.

Una vez se ha transferido la imagen del circuito a la capa fotosensible, se procede a grabar la oblea. Para ello, se elimina la parte de la oblea no protegida por la imagen mediante productos químicos o plasma en una cámara de vacío. Este proceso es conocido como grabado, y puede ser húmedo o seco dependiendo de la técnica utilizada. El resultado final es la eliminación de la capa fotosensible en las zonas no deseadas, dejando al descubierto la capa subyacente de la oblea.

En la etapa siguiente del proceso de fabricación de microprocesadores, se introduce impurezas como boro o fósforo en el silicio para alterar su conductividad. Esto se lleva a cabo ionizando los átomos de boro o fósforo y acelerándolos a alta energía a través de un implantador iónico, para luego incrustar los iones resultantes en la superficie de la oblea.

En el último paso del proceso de fabricación de un microprocesador, se lleva a cabo la deposición de capas mediante distintos métodos. Uno de ellos es el bombardeo atómico, en el que los átomos del material a depositar son bombardeados con iones para que se adhieran a la oblea. Otro método es la evaporación, en la que se funde el material y se evapora para cubrir la superficie de la oblea. También se utiliza la deposición de vapor químico, que consiste en la condensación del material a partir de un gas a baja presión o a presión atmosférica. En cualquier caso, es esencial que la pureza de las películas sea muy alta y que su espesor se controle con gran precisión, hasta una fracción de micra.

La fabricación de microprocesadores requiere un ambiente extremadamente limpio debido a la delicadeza de los detalles del circuito. Incluso una pequeña partícula de polvo puede afectar el funcionamiento del dispositivo. Por esta razón, las salas donde se fabrican estos componentes se llaman salas blancas, y el aire en ellas se somete a un filtrado riguroso para mantener su pureza. Actualmente, se utilizan salas blancas de clase 1, que significa que el aire en estas salas contiene como máximo una cantidad limitada de partículas mayores de 0,12 micras por pie cúbico (0,028 metros cúbicos). En comparación, una casa común tendría una clasificación de alrededor de un millón de partículas por pie cúbico.

En 1971 se produjo el primer microprocesador, el Intel 4004. En aquel entonces, fue considerado un avance impresionante y se diseñó para una calculadora. El procesador era de 4 bits y contenía 2.300 transistores, con una capacidad de realizar 60.000 operaciones por segundo. En 1979, se desarrolló el primer microprocesador de 8 bits, el Intel 8008, diseñado específicamente para su uso en terminales informáticos.

El número de transistores en los microprocesadores modernos ha aumentado significativamente. Por ejemplo, el Intel 8080 de 8 bits, desarrollado en 1974, tenía 4.500 transistores y una velocidad de 200.000 instrucciones por segundo. En comparación, los microprocesadores actuales tienen una capacidad y velocidad mucho mayores. El Intel Pentium Pro, por ejemplo, tiene 5,5 millones de transistores, el UltraSparc-II de Sun Microsystems contiene 5,4 millones de transistores, el PowerPC G4, desarrollado conjuntamente por Apple, IBM y Motorola, tiene 7 millones de transistores, y el Alpha 21164A de Digital Equipment Corporation cuenta con 9,3 millones de transistores.

La tecnología relacionada con los microprocesadores y la producción de circuitos integrados está evolucionando a un ritmo acelerado. Las proyecciones indican que en el año 2010 los microprocesadores de última generación podrían albergar alrededor de 800 millones de transistores.

Se estima que la capacidad de los microprocesadores se verá limitada por el comportamiento de los electrones al moverse por los transistores. A medida que las dimensiones de los transistores se reducen, pueden aparecer efectos cuánticos debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones que podrían afectar el comportamiento de los circuitos y transistores. En consecuencia, podrían requerirse nuevos diseños de dispositivos y circuitos adaptados a las dimensiones atómicas de los microprocesadores.

Las técnicas necesarias para producir las próximas generaciones de microchips incluirán la epitaxia de haz atómico, un método en el que los semiconductores se depositan átomo a átomo en una cámara de vacío de alta precisión, y la microscopía de fuerza atómica, una técnica que permite observar y manipular átomos individuales con alta resolución.