Se um dia você já leu alguma notícia sobre processadores, deve ter visto em algum ponto o termo “litografia” seguido de números como “22nm” ou algo assim, o “nm” nesse caso, significa nanômetros, que vale a bilionésima parte do metro. A litografia é basicamente o tamanho dos transistores, como eles são construídos, mas aí surge aquela pergunta “o que são os transistores?

O começo de tudo

Para quem ainda não sabe antigamente eram usadas válvulas nos computadores, e as pesquisas da época eram sobre aperfeiçoar e reduzir o tamanho das válvulas e também o aumento de sua eficiência, pois consumiam muita energia. Desse modo, era necessário criar algo menor e mais barato, em 1947, os cientistas descobriram o transistor, eles perceberam que quando aplicada certa tensão sobre um terminal do componente o sinal que saia no outro terminal era amplificado. Todo transistor possui três terminais, são as “perninhas” que ele possui. Um dos terminais recebe a tensão elétrica e o outro envia o sinal amplificado. O terminal (ou “perninha”) do meio é responsável por controlar esse processo, pois a corrente elétrica entra e sai pelos outros dois terminais apenas quando é aplicada tensão elétrica no terminal do meio. A quantidade de tensão aplicada no terminal do meio (também chamado de terminal de controle) vai ditar qual será a a intensidade da corrente que passará pelos terminais de saída.

O que é a litografia?

Bem, voltando ao assunto inicial, a litografia serve para o controle de medida dos transistores, tudo bem, mas, porque a litografia sempre vai diminuindo?

Gráfico descritivo, relação tamanho/desempenho entre as diferentes litografias de processadores

Para que a capacidade do chip seja maior, é preciso que o número de transistores seja cada vez maior em seu interior, e para isso, você precisa diminuir cada vez mais o tamanho do circuito como um todo. Pois como seria possível inserir milhares de transistores no núcleo de um processador sem aumentar seu tamanho físico?

É aí que entra a litografia, que é parte do processo de como esses circuitos são construídos. Não é possível manusear transistores de tamanho microscópico, e é por isso que eles são diretamente esculpidos sobre o silício, esse processo de construção de um processador é algo realmente complexo, pode levar muitos e muitos dias para ser concluído, isso, sem falar nos projetos dos circuitos que já tem que estar prontos muito antes de a construção do processador começar. Esse árduo trabalho de projetar os circuitos é feito pelos engenheiros que definem em quais áreas do chip as diferentes partes (cache, controlador de memória, vídeo, entre outros) que o compõem devem ficar e como elas vão ser interligadas. Tudo isso tem uma importância extrema, já que se existe apenas um erro, pode deixar milhares de processadores inutilizáveis. Ao final do projeto vem a parte da construção em si, a parte de esculpir os transistores no silício, mas o fato é, como fazer com que o projeto feito em tamanho grande possa ser impresso microscopicamente no wafer de silício? A litografia também está aqui. Antes do início da construção, o silício é coberto com um material fotorresistente e em seguida é aplicada luz ultravioleta para realizar a transferência do diagrama de circuitos para a superfície do disco. Nesse momento a luz passa por uma matriz do circuito construído em tamanho grande, e logo após, por uma lente que estará reduzindo essa matriz até que ela seja pequena o suficiente para ser escrita no disco, centenas de vezes, uma ao lado da outra.

Depois de todo esse processo, as partes que foram expostas a luz, se tornam solúveis. Após o processo um banho de produtos químicos remove essas partes, e também o líquido fotorresistente, e desse modo, o circuito pode ser visto na superfície do wafer de silício.

Vale lembrar que o silício é semicondutor, então, é preciso revestir toda sua superfície com uma camada de proteção, que vai evitar os curtos circuitos quando o cobre for aplicado. Logo após, é feito o processo de galvanoplastia, no qual os íons de cobre são transferidos para o wafer de silício. O excesso de cobre é removido e os contatos dos transistores e demais componentes do chip são expostos. Nessa fase o processador já está quase pronto e parte para a fase de testes.

Foto: Divulgação / arquitetura de um processador

O disco, finalmente, é cortado e todos os núcleos recém criados são preparados para o encapsulamento final, onde são conectados aos terminais definitivos que os ajudará a proteger e, também, dissipar o calor gerado pela CPU.

Então, a litografia nada mais é que a redução de tamanho dos transistores e o circuito dentro dos processadores. Apenas para uma ideia, se o tamanho dos transistores continuassem os mesmos, um core i7 novo seria 450 vezes maior que o primeiro Pentium, algo impensável para um computador doméstico. Outra vantagem também é a redução do consumo de energia e da geração de calor, então, sempre quando ver o termo “litografia XX nm”, lembre-se que trata do processo de construção e tamanho dos transistores de um processador. Abaixo há alguns exemplos de litografia de alguns processadores:

Intel Pentium 60MHz (1993) — 3,1 milhões de transistores — 800nm
Intel Core i7-4790k 4.0GHz (2014) — 1,4 bilhão de transistores — 22nm
AMD Ryzen 7 1800X (2017) — 4,8 bilhões de transistores — 14nm