¿Por qué los procesadores son cuadrados o rectangulares? La respuesta reside en la eficiencia de producción y el empaquetado

La gran mayoría de los procesadores utilizados en ordenadores y teléfonos parecen cuadrados o rectangulares a simple vista. Sin embargo, las obleas de silicio de las que se fabrican estos chips son circulares. Según la información técnica compartida por Webtekno, esta situación no es tanto una cuestión de hábito de diseño, sino que está relacionada con las necesidades de eficiencia, corte y empaquetado en la fabricación de semiconductores.

El paquete exterior que se sostiene en la mano y el chip de silicio que realiza el cálculo real no son lo mismo. La gran superficie metálica que se observa en los procesadores de escritorio es, a menudo, parte del disipador de calor y del paquete protector. Debajo de esto se encuentra uno o más pequeños troqueles (die) de silicio. Estos troqueles constituyen la estructura real del procesador, donde se ubican miles de millones de transistores y capas de conexión.

LA PRODUCCIÓN COMIENZA CON UNA OBLEA CIRCULAR

La razón por la que las obleas son circulares se debe al método de producción del cristal de silicio. El silicio de alta pureza se convierte en un lingote cilíndrico monocristalino. Cuando esta estructura cilíndrica se corta en láminas muy finas, se obtienen obleas circulares. En la producción actual de semiconductores, se utilizan habitualmente obleas de 300 milímetros de diámetro.

En lugar de colocar un único procesador gigante sobre esta superficie circular, el fabricante crea numerosas copias del mismo diseño. Tras procesos como la fotolitografía, aparecen numerosos troqueles dispuestos uno al lado del otro sobre la oblea. La forma cuadrada y rectangular permite que estos troqueles se coloquen en filas y columnas ordenadas.

La ventaja más importante de este orden se observa en el proceso de corte. Una vez completada la producción, los chips de la oblea se separan mediante un proceso llamado "dicing" (troceado). Los troqueles cuadrados o rectangulares de bordes rectos son más fáciles de separar a lo largo de líneas de corte rectas. En el caso de los chips circulares, el corte se vuelve más complejo y se generan espacios de silicio inutilizables alrededor de cada chip.

UN CHIP CIRCULAR ES POSIBLE, PERO NO EFICIENTE

Técnicamente, no es físicamente imposible producir un chip de silicio circular. Sin embargo, no ofrece ninguna ventaja clara en la producción en serie. En la fabricación de semiconductores, una parte importante del coste está vinculada a la eficiencia con la que se utiliza el área de la oblea. Cuantos más chips funcionales se obtengan de una oblea, mayor será el rendimiento de producción.

Cuando los chips circulares se colocan uno al lado del otro, quedan espacios inevitables entre ellos. Estos espacios significan área de silicio desperdiciada. Además, seguir los límites circulares para realizar el corte individualmente puede crear un proceso más complejo y costoso en comparación con las líneas de corte rectas. Por esta razón, la estructura de cuatro esquinas ofrece una solución más práctica para el fabricante.

Decir que todos los componentes dentro del procesador son cuadrados no es correcto. Los procesadores modernos están compuestos por transistores, bloques de caché, núcleos de CPU, controladores de memoria, unidades de entrada/salida y capas de conexión. La geometría de estas estructuras puede variar según la tecnología de producción y las necesidades de diseño.

No obstante, un área de trabajo cuadrada o rectangular proporciona una facilidad significativa desde el punto de vista de la ingeniería. Las herramientas de diseño pueden colocar los bloques de circuitos de manera más ordenada dentro de estos límites; variables como las rutas de señal, la distribución de energía, la densidad térmica y la capacidad de fabricación pueden calcularse simultáneamente.

EMPAQUETADO, REFRIGERACIÓN Y EL EFECTO CHIPLET

Una vez fabricado el troquel de silicio, no se conecta directamente a la placa base. Pasa por una fase de empaquetado para trasladar las conexiones eléctricas al mundo exterior, proporcionar protección mecánica y facilitar la transferencia de calor. La gran cubierta metálica que se ve en los procesadores de escritorio ayuda a disipar el calor generado por el procesador hacia una superficie más amplia, facilitando su contacto con el refrigerador.

Los paquetes planos y de cuatro esquinas también pueden encajar de manera más ordenada con otros componentes en las placas de circuito impreso. El tamaño de estos paquetes no se determina únicamente por el área del silicio interior; también se tienen en cuenta el diseño del zócalo, el número de puntos de contacto, la demanda de energía y los requisitos de refrigeración.

En los últimos años, el enfoque de chiplet también se ha vuelto común en la arquitectura de procesadores. Como ocurre en los procesadores actuales de escritorio y servidor de AMD, en algunos diseños, los núcleos de CPU y las unidades de entrada/salida se fabrican como chips separados y se combinan dentro del mismo paquete. Intel también utiliza múltiples unidades de procesamiento en el mismo paquete mediante métodos de empaquetado avanzado en sus diversos productos.

El diseño de chiplet no ha eliminado el hecho de que los procesadores parezcan cuadrados o rectangulares desde el exterior. Al contrario, bajo un mismo paquete pueden encontrarse múltiples chips de cuatro esquinas, ya sea uno al lado del otro o en diferentes capas mediante métodos de empaquetado avanzado. Este enfoque puede ofrecer la oportunidad de aumentar el rendimiento con piezas más pequeñas en lugar de fabricar un único chip muy grande.

En el futuro, el empaquetado 2.5D y 3D, las soluciones de memoria más cercanas al procesador y la combinación de diferentes tecnologías de producción en un mismo paquete podrían volverse más comunes. Sin embargo, en la cadena de producción actual, la forma cuadrada y rectangular sigue siendo una de las opciones más prácticas en términos de eficiencia de la oblea, facilidad de corte, disposición de circuitos, empaquetado y refrigeración.

Fuente de la noticia: 12punto