O diâmetro de um fio de cabelo humano é de 70,000 nanômetros e sua circunferência é de 220,000 nanômetros. Fabricar chips usando um processo de 5 nanômetros é como construir 44,000 estradas ao longo de um fio de cabelo.

Autor: Liu Zhirong Fonte: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Em 15 de maio de 2020, os Estados Unidos impuseram uma proibição aos chips da Huawei. Desde então, os chips têm atraído grande atenção do povo chinês. A proibição entrou em vigor em 15 de setembro. Fabricantes de chips mundialmente renomados, como TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix e Micron, não podem mais fornecer chips para a Huawei. Em 16 de setembro, a Comissão Central de Inspeção Disciplinar publicou um artigo em seu site oficial afirmando que "o corte no fornecimento de chips da Huawei pode ser o início do nirvana da indústria de chips da China".

Falamos de batatas fritas todos os dias, mas você sabe o que é uma batata frita?

1. De que forma a invenção do chip mudou a vida humana?

Em 23 de dezembro de 1947, três cientistas dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, John Baden, William Shockley e Walter Bratton, inventaram o transistor de cristal de germânio, inaugurando a era dos semicondutores no mundo da eletrônica. Os três inventores do transistor ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1956.

A década de 1950 foi a era de ouro dos semicondutores. Quase todos os materiais semicondutores e processos básicos foram desenvolvidos durante esse período.

Em 18 de outubro de 1954, a Texas Instruments inventou o rádio transistorizado. Este rádio, com quatro transistores, era pequeno o suficiente para caber no bolso.

Em 12 de setembro de 1958, o engenheiro eletrônico da Texas Instruments, Jack Kilby (1923-2005), inventou o circuito integrado e, em 1959, produziu com sucesso o primeiro circuito integrado do mundo, um chip. Este circuito integrado consiste em transistores PNP (transistores), resistores e capacitores gravados em um chip de germânio, e fios externos são usados ​​para conectá-los, formando um circuito. Este circuito integrado simples impulsionou a indústria de chips, levou a ciência e a tecnologia humanas a um novo patamar e mudou completamente o modo de vida da humanidade.

O avanço contínuo da tecnologia de fabricação de chips reduziu drasticamente o preço de um único transistor. Em 1959, havia 6 transistores em um chip, o equivalente a US$ 10 por transistor; em 1971, havia 2,000 transistores em um chip, o equivalente a US$ 0.3 por transistor; em 2004, havia dezenas de bilhões de transistores em um chip, e o preço de um único transistor caiu para um bilionésimo de dólar. A melhoria na relação custo-benefício dos chips tornou possível que eles chegassem às casas das pessoas comuns.

Pode-se dizer que o chip é a maior invenção do século XX, e muitas outras invenções também são baseadas em chips. Hoje, vivemos em um mundo cercado por chips, e seria difícil viver sem eles.

O cotidiano das pessoas é inseparável dos chips. Dispositivos inteligentes como celulares, computadores e smartwatches possuem chips. Equipamentos de rede como modems ópticos, roteadores, pen drives, cartões de memória e discos rígidos externos também os contêm. Há chips em equipamentos de rede e periféricos de computador. Carteiras de identidade, passaportes, cartões bancários, cartões de compras, cartões de consumo e outros documentos de identificação pessoal possuem chips. TVs, caixas de som, projetores, carregadores, lâmpadas de LED, balanças eletrônicas, condicionadores de ar, geladeiras, fornos de micro-ondas, fogões de indução, aquecedores de água e outros eletrodomésticos também os utilizam. Controle de acesso, monitoramento, células solares, etc., também necessitam de chips. Se alguém inventasse um código capaz de desativar todos os chips do mundo, a vida humana pararia.

Jack Kilby ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2000 pela invenção do chip. Ele também foi o inventor da calculadora de bolso e da impressora térmica. Quando Kilby era chamado de cientista, ele dizia modestamente: "Um cientista é uma pessoa que explica as coisas e precisa ter grandes ideias; e eu sou um solucionador de problemas, um engenheiro. Meu dever é inventar novos processos, fabricar novos produtos e ganhar dinheiro com invenções e criações."

2. Para entender o chip, você precisa primeiro entender a "junção PN".

Como pode ser visto acima, componentes eletrônicos como diodos, transistores, resistores e capacitores são fabricados em materiais semicondutores e, em seguida, conectados por fios. Isso é um circuito integrado, também chamado de chip. Para entender os chips, é preciso primeiro compreender a "junção PN", que é o núcleo da tecnologia de semicondutores.

Quando um material semicondutor é dopado com um elemento pentavalente, a concentração de elétrons aumenta, formando um semicondutor do tipo N; quando um material semicondutor é dopado com um elemento trivalente, a concentração de lacunas aumenta, formando um semicondutor do tipo P. "Lacuna" refere-se à vacância deixada na ligação covalente após os elétrons da ligação covalente ganharem energia e se desprenderem das amarras da ligação covalente para se tornarem elétrons livres.

Após o semicondutor tipo P e o semicondutor tipo N entrarem em contato próximo, os elétrons com carga negativa e os buracos com carga positiva difundem-se um em direção ao outro; a difusão de elétrons e buracos cria um campo elétrico interno na superfície de contato, e esse campo elétrico interno impede a difusão, permitindo que os elétrons e buracos retornem. Quando a velocidade de difusão e a velocidade de retorno dos elétrons e buracos atingem um equilíbrio dinâmico, forma-se uma "junção PN" na superfície de contato entre o semicondutor tipo P e o semicondutor tipo N.

A principal característica de uma "junção PN" é a "condutividade única". Se o terminal do semicondutor tipo P for usado como eletrodo positivo e o terminal do semicondutor tipo N como eletrodo negativo, a corrente pode passar pela junção PN; se o terminal do semicondutor tipo N for usado como eletrodo positivo e o terminal do semicondutor tipo P como eletrodo negativo, a corrente não pode passar pela junção PN. O uso de bits binários em computadores é determinado pelo comportamento da "junção PN". A corrente que passa pela "junção PN" representa "1", e a corrente que não passa pela "junção PN" representa "0".

A junção PN é um diodo. Se dois semicondutores do tipo P estiverem intercalados com um semicondutor do tipo N, forma-se um triodo, que é o triodo do tipo PNP mencionado anteriormente. Naturalmente, se houver um semicondutor do tipo P intercalado entre dois semicondutores do tipo N, ele se torna um transistor do tipo NPN.

As pessoas comuns não conseguem ver o "corpo real" do chip. O chip é tão pequeno quanto um fio de caspa humana e tão grande quanto uma unha. Por ser tão fino, ele precisa ser encapsulado em uma cápsula selada antes de ser conectado a um circuito externo. Ao abrir um computador, uma TV ou outro aparelho eletrônico, você pode ver uma grande placa de circuito impresso. Há muitos componentes eletrônicos nessa placa. Esses componentes eletrônicos com múltiplos pinos são os chips. Esses pinos estão conectados aos terminais de entrada e saída do chip. Alguns pinos estão em ambos os lados da cápsula, outros em quatro lados e alguns estão dispostos em uma matriz na parte inferior, densamente compactados com mais de 1,000 pinos.

3. Fazer chips é como esculpir a Terra e todas as estradas em um grão de arroz?

Há um conceito que precisa ser mencionado aqui: a "Lei de Moore". Em 1965, Gordon Moore, cofundador da mundialmente famosa fabricante de chips Intel Corporation, propôs que o número de transistores em um único chip dobraria a cada ano. Mais tarde, ele corrigiu a previsão para dobrar a cada dois anos. Essa previsão foi comprovada na prática como sendo basicamente correta. Em 2011, havia 2.27 bilhões de transistores em um chip Intel Core i7. Atualmente, o número de transistores em alguns chips de ponta ultrapassa as dezenas de bilhões. Há alguns anos, o chip de IA WSE, produzido pela fabricante de semicondutores Cerebras Systems usando a tecnologia de processo de 16 nm da TSMC, integrava 1.2 trilhão de transistores!

"Processo" refere-se à largura da porta do transistor no chip, que podemos geralmente entender como o tamanho do transistor. Quanto menor o processo, mais transistores podem ser fabricados em um único chip e maior se torna o circuito integrado.

A velocidade de processamento dos chips continua a aumentar graças à crescente integração dos mesmos. Quanto maior o nível de integração do chip, menores os componentes eletrônicos presentes nele e mais curtos os fios que os conectam. O tempo de percurso da corrente elétrica é reduzido, o consumo de energia diminui e a velocidade de processamento aumenta.

Existem três maneiras de aumentar o número de transistores em um chip. Uma delas é aumentar a área do chip, a outra é reduzir o tamanho dos transistores e a terceira é tornar o circuito integrado tridimensional. Aumentar a área do chip geralmente não é considerado, pois isso aumentaria o consumo de energia e reduziria a eficiência do chip. Atualmente, as duas últimas técnicas são as mais utilizadas para aumentar o número de transistores em um chip.

A fabricação de chips pertence ao mundo microscópico, e os componentes eletrônicos nele contidos são tão pequenos quanto alguns átomos ou moléculas, medidos em unidades ainda menores, como nanômetros e angstroms. A menor escala em uma régua comum é o milímetro; 1 milímetro equivale a 1000 micrômetros, 1 micrômetro a 1000 nanômetros e 1 nanômetro a 10 angstroms. O diâmetro de um fio de cabelo humano é de 70,000 nanômetros e sua circunferência é de 220,000 nanômetros. Fabricar chips usando um processo de 5 nanômetros é como construir 44,000 estradas ao longo de um fio de cabelo.

Existe um limite para a redução do tamanho dos componentes eletrônicos, então considera-se a construção de circuitos integrados multicamadas em um único chip para aumentar o número de transistores. Isso é como construir prédios residenciais. Uma casa térrea pode acomodar um pequeno número de moradores, enquanto um prédio com dezenas de andares pode acomodar um grande número de pessoas. O empilhamento de circuitos integrados é muito mais complexo do que construir um prédio. O layout de cada andar do prédio é o mesmo, mas os circuitos de cada camada do chip são diferentes, e as conexões entre as camadas são extremamente complexas.

Vamos levar essa metáfora um passo adiante: fabricar chips é como esculpir a Terra inteira em um grão de arroz, e todas as estradas e edifícios da Terra precisam ser esculpidos. As estradas são os fios no chip, e os edifícios são os componentes eletrônicos no chip. Por meio dessa metáfora, os leitores podem imaginar o quão complexo e difícil deve ser fabricar chips.

4. A purificação do silício é a base da indústria de semicondutores.

Existem muitos materiais semicondutores, mas em aplicações práticas, mais de 90% deles utilizam silício porque o ponto de fusão do silício é de 1415 graus Celsius, o que permite processos de alta temperatura na fabricação de chips.

O silício é fundido a partir da areia, mas para fundir areia em silício que possa ser usado na fabricação de chips, é necessária uma pureza extremamente alta. Chamamos de ouro aquele com pureza de 99.99% (quatro noves), mas a pureza do silício usado na fabricação de chips deve atingir pelo menos 11 noves, ou seja, não pode haver mais do que 1 átomo de impureza por bilhão de átomos de silício. O silício com essa pureza foi refinado pelos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, em 1955. Atualmente, existem centenas de bilhões de componentes eletrônicos em um chip, e os requisitos de pureza para o silício são ainda maiores, de pelo menos 13 noves. Essa é a base da fabricação de chips. Sem dominar a tecnologia de purificação do silício, é impossível criar um chip!

Os leitores podem perguntar: por que o silício necessário para fabricar chips precisa ser tão puro? Os componentes eletrônicos do chip são muito pequenos. Se o chip for fabricado usando um processo de 5 nanômetros, impurezas de 1 nanômetro podem destruir todo o chip. Vamos fazer uma analogia. Se uma estrada tem 40 metros de largura e há uma pedra grande de 1 metro de largura no meio da estrada, os carros podem desviar da pedra sem causar congestionamentos. No entanto, se a estrada tiver apenas 5 metros de largura e houver uma pedra grande de 1 metro de largura no meio da estrada, os carros não conseguirão desviar da pedra e a estrada ficará bloqueada.

Portanto, a fabricação de chips exige não apenas alta pureza de silício, mas também que todos os aspectos do processo de fabricação sejam isentos de poeira. Sua pureza é 100,000 vezes maior que a de uma sala de cirurgia hospitalar, e metade do processo é realizada em ambiente a vácuo. Por conta disso, as fábricas de chips não precisaram ser paralisadas durante a pandemia de COVID-19, pois os trabalhadores estavam protegidos da cabeça aos pés, e alguns trajes de proteção incluem até mesmo sistemas respiratórios integrados para evitar a contaminação dos chips por gases exalados e liberados pelo metabolismo humano.

5. A máquina de litografia é, na verdade, um projetor de circuitos integrados??

O termo "máquina de litografia" é uma tradução imprecisa e bastante enganosa. Muitas pessoas acreditam erroneamente que a máquina de litografia "esculpe" circuitos integrados na superfície do silício cristalino por meio de contato físico, como uma gravação a laser. Na verdade, o chip não é "gravado", mas sim "fotografado". Portanto, seria mais apropriado chamar a máquina de litografia de "projetor de circuitos integrados".

Quando o wafer para fabricação do chip entra na etapa de fotolitografia, a máquina de fotolitografia projeta o padrão do circuito integrado sobre o fotorresiste na superfície do wafer através da máscara. Após a exposição do fotorresiste, a área exposta é gravada com um líquido químico e, em seguida, limpa. Dessa forma, o padrão do circuito integrado é revelado. O processo de fotolitografia é semelhante ao da fotografia tradicional. A luz passa através do negativo para sensibilizar o papel fotográfico, e então o papel fotográfico sensibilizado é revelado e fixado em uma solução química.

Um chip precisa passar por dezenas ou até centenas de processos de fotolitografia, e várias etapas posteriores à fotolitografia levam várias semanas antes que ele possa entrar na fase de encapsulamento.

A tecnologia de fabricação de chips está mudando a cada dia que passa, mas a maioria das tecnologias essenciais para a fabricação de chips teve origem nos Laboratórios Bell. A contribuição dos Laboratórios Bell para a revolução da tecnologia da informação ficará para sempre na história.

7. Posso fabricar chips se tiver uma máquina de fotolitografia?

Muitos leitores têm grande interesse em máquinas de fotolitografia e acreditam que chips podem ser fabricados com elas. Na verdade, não é bem assim. Embora a máquina de fotolitografia desempenhe um papel importante na fabricação de chips, ela é apenas um dos mais de mil processos envolvidos nesse processo. Mesmo com a máquina de fotolitografia, se você não dominar os outros processos, ainda assim não conseguirá fabricar um chip.

Em 1961, a empresa americana GCA fabricou a primeira máquina de fotolitografia do mundo. Atualmente, existem 7 empresas em 4 países que fabricam máquinas de litografia: Asmaier, na Holanda; Intel, Super Technology Semiconductor e Rudolf, nos Estados Unidos; Nikon e Canon, no Japão; e SusiMicro, na Alemanha.

Como mencionado anteriormente, a base da indústria de semicondutores são os materiais, ou seja, a purificação do silício. Sem dominar a tecnologia de purificação do silício, é impossível produzir silício cristalino com pureza suficiente para a fabricação de chips, e consequentemente, impossível fabricá-los.

Além disso, existem centenas de bilhões de componentes eletrônicos no chip. Um circuito tão grande não pode ser desenhado manualmente. É necessário usar um software de automação de projeto eletrônico (EDA). O EDA é uma aplicação abrangente de muitas disciplinas da área e é monopolizado por três empresas americanas: Kadant, Synopsys e Mentor Graphics.

A EDA desempenha um papel decisivo no processo de fabricação de chips. A funcionalidade e a integração do chip dependem completamente das capacidades de projeto da EDA. Mesmo com silício de alta pureza e máquinas de fotolitografia, sem EDA ou sem saber como utilizá-la, ainda assim não é possível fabricar um chip.

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