A técnica usada é chamada de litografia óptica. Existem atualmente diversas variações da tecnologia, como a EUVL (Extreme Ultra Violet Lithography), usada nos processadores atuais. Quanto mais avançada a técnica usada, menores são os transistores, permitindo o desenvolvimento de processadores mais complexos e rápidos.
Como pôde ver na ilustração anterior, as máscaras são fisicamente bem maiores que os processadores que serão “impressos” no wafer, já que seria impossível criar máscaras com o nível de detalhes necessário em uma superfície tão pequena. Enquanto os processadores x86 atuais possuem uma área de geralmente 90 a 180 milímetros quadrados, as máscaras são do tamanho de um tablet. Cada máscara contém um dos padrões que são impressos sucessivamente sobre o wafer, resultando em um processador funcional. Dentro da linha de produção, os wafers passam sucessivamente sobre vários steppers, cada um contendo uma máscara diferente:
Atualmente, o processo de produção das máscaras é completamente automatizado. O próprio desenvolvimento dos processadores mudou. Ao invés de projetar os circuitos manualmente, os engenheiros utilizam um HDL (Hardware Description Language), como o VHDL ou o Verilog (os mais usados atualmente). Eles são uma espécie de linguagem de programação para o desenvolvimento de processadores, onde o engenheiro “programa” as instruções que devem ser executadas e outras características do processador, e o HDL gera o projeto do chip.
Naturalmente, ainda é possível desenvolver processadores (ou otimizar componentes internos específicos) usando o processo manual (assim como é possível programar em Assembly), mas o processo se torna muito mais lento e trabalhoso. É comum que os processadores passem por diversas revisões durante sua vida útil, onde a equipe de desenvolvimento começa com um design produzido através de um HDL e depois trata de otimizá-lo sucessivamente, obtendo assim ganhos de performance e outras melhorias.
No final do processo, temos um grande arquivo, que é enviado para a fábrica, onde são produzidas as retículas e feitas as demais fases do processo. Uma vez terminado o projeto, os engenheiros precisam esperar várias semanas até que os primeiros chips funcionais sejam produzidos. Qualquer erro que chegue até a fase de produção geraria um prejuízo de vários milhões, por isso o projeto passa por inúmeras revisões.
As máquinas de produção (chamadas steppers) repetem a “impressão” várias vezes, até cobrir toda a área do wafer de silício. Em seguida o wafer é movido para a máquina com a máscara seguinte e assim continua, até que o processo esteja completo. Todo o processo é feito em uma sala limpa, por engenheiros usando os trajes de astronauta que aparecem nos comerciais da Intel. Todo cuidado é pouco, já que cada wafer contém centenas de processadores, que juntos valem algumas dezenas de milhares de dólares. Temos aqui uma foto ilustrativa, cortesia da Intel:
Depois de pronto, o wafer é cortado, dando origem aos processadores individuais. Desses, muitos acabam sendo descartados, pois qualquer imperfeição na superfície do wafer, partícula de poeira, ou anomalia durante o processo de litografia, acaba resultando em uma pequena área defeituosa, suficiente para inutilizar setores inteiros de um processador. Como não é possível produzir um wafer de silício quadrado, temos também os processadores “incompletos”, que ocupam as bordas do wafer e que também são descartados no final do processo.
Processo de corte do wafer de silício (imagem cortesia da Micron)
Você poderia perguntar o porquê de não utilizarem retículas maiores para imprimir todo o wafer de uma única vez, ao invés de ter que repetir o processo para cada processador individual. O problema aqui reside no foco, que é perfeito no centro e sensivelmente pior nas bordas.
Já é difícil desenvolver máquinas que consigam manter o foco na área do chip, o que dizer então de mantê-lo em toda o wafer, que é uma superfície muito maior. É por isso também que os processadores são quase sempre mais ou menos quadrados, já que o formato permite obter o melhor foco. Em geral, apenas processadores muito pequenos, como o Atom, usam formatos retangulares.