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Sabes lo que es la lotería del Silicio?



Imagina que vas a una tienda de informática a comprar un procesador o una tarjeta gráfica nuevos para tu PC. Puedes encontrarte varias unidades del mismo modelo, así que puedes coger la que quieras, ¿verdad?.


Pero la verdad es que, aunque a simple vista parezcan idénticos, puede que dos componentes difieran ligeramente en cuanto a prestaciones.



Esto, a grandes rasgos, es lo que se conoce como silicon lottery o lotería del silicio. En este juego todos participamos, muchas veces sin saberlo. El término se ha hecho muy popular en Internet en algunos círculos, pero la mayoría de la gente no lo conoce.




La fabricación de un procesador: el punto de partida







Para intentar entender mejor a qué se refiere el término “lotería del silicio”, primero tenemos que explicar primero cómo se fabrica un procesador. Todo empieza con el mineral de silicio, que se funde en hornos a altísimas temperaturas. Una vez fundido se purifica y se eliminan sus impurezas, y después se vierte en moldes en los que se enfría y cristaliza.

Las planchas de silicio cristalizado se cortan después en porciones muy finas conocidas como obleas; que se pulen y se dopan con productos químicos antes de llegar al último paso: las máquinas de litografía. Aquí es donde se imprimen los microcircuitos o “pastillas” en la superficie de la oblea.




El proceso que se sigue para fabricar una CPU o una GPU es muy preciso, pero es muy difícil de replicar con fidelidad a escalas nanométricas. Por muy perfectamente que se realice el trabajo (o por muy limpio que esté el silicio fundido), nunca será igual para todos los procesadores. A eso hay que sumar que la pureza del mineral no es igual en todas las partes de la oblea.
Cuanto más puro sea el silicio, mejor



Los fabricantes tienen una especie de norma no escrita que suele cumplirse: de las zonas con menos impurezas y con menos imperfecciones en la estructura cristalina, salen las mejores CPUs o GPUs. Estos componentes suelen requerir menos voltaje (Vcore) para que funcione el núcleo y suelen estar en el centro de la oblea; la calidad del silicio disminuye conforme nos acercamos a los bordes.
¿Qué significa que necesiten un Vcore menor? Todo esto:




  • Hay que enviar menos energía a la CPU o GPU para que funcione.
  • El componente se va a calentar menos cuando esté a pleno rendimiento.
  • Si a la pieza se le puede hacer overclocking, al subir el voltaje habrá un incremento de la velocidad apreciable.
Para quienes no lo conozcan, el overclocking es el aumento de la velocidad del procesador de forma manual; por encima de la establecida por el fabricante. Entre los entusiastas del procedimiento el término silicon lottery está muy extendido, aunque para ellos parece reducirse a si se puede hacer overlocking correctamente o no.


Binning: el último paso en la fabricación




Cuando los procesadores ya están fabricados llega el momento de probarlos. Hay dos tipos de pruebas:


  • Unas que se hacen cuando el procesador está recién terminado, que simula cómo funcionaría en el PC de un usuario final.
  • Otras en las que se miden las características técnicas de la CPU o la GPU.
En esta segunda prueba es donde se determina qué voltaje necesitan para funcionar, su frecuencia o su rendimiento, entre muchas otras características. Resumiendo: los procesadores se clasifican dependiendo de los resultados de las pruebas. El conjunto de dichas pruebas se conoce como binning.







Los fabricantes tienen una serie de valores objetivo que los procesadores deben alcanzar para ser considerados topes de gama. Los que alcanzan dichos objetivos se venden como los mejores componentes. Son estos los que suelen permitir el overclocking. Pero incluso en esta gama alta, existen mínimas diferencias entre las unidades fabricadas; unas diferencias que pueden acentuarse dependiendo de lo que les pedimos, de la refrigeración, o de otros factores.




¿Cómo te afecta como usuario la silicon lottery?




Como usuario debes tener claro que es totalmente imposible saber qué procesador va a rendir mejor. No has podido ver la oblea en la que se han fabricado, no sabes los grados de pureza de su área y no sabes de qué sección ha salido ese procesador que acabas de comprarte.
Esa es la auténtica silicon lottery, la que juegas cada vez que montas una CPU nueva en tu placa base. Lo habitual es que te toque un procesador normal y corriente, aunque puede que tengas mucha suerte y acabes con lo mejor de un lote.








Cómo se hace un microprocesador


En una fabrica se producen las láminas de silicio, base de todos los microchips modernos. El silicio es un semi conductor, dependiendo de como sea tratado el mismo puede conducir o bloquear la corriente electrica.


Al ser tan pequeños, la base de silicio sobre la que descansan tiene que ser totalmente perfecta.


Llevó decadas perfeccionar el proceso de producción del silicio con una estructura monocristalina perfecta.


Se empieza con polisilicio el cual se caliente en un horno purgado con gas argón para eliminar el aire.


Este es el horno


El lago de silicio fundido que obtenemos se hace girar en un crisol, entonces se introduce un cristal de silicio para que actue como semilla. El cristal tiene la forma de un lapiz y gira en la direccion contraria. A medida que se va secando se va separando a razón de 1 mm por minuto.


El resultado es un solo cristal de silicio que pesa unos 200 kg y tiene un diametro de unos 200 mm. Es tan fuerte que soporta todo su peso con un hilo de 3 mm de espesor.


Se haen pruebas para controlar la pureza y orientación molecular del mismo. Luego de pasar estas pruebas, se corta.


Una red de cables muy delgados producen obleas de silicio, con una pureza de 99,9% Una vez cortado, quedan algunos rastros microscópicos, de modo que hay que pulirlas con un proceso llamado labrado.


Sin embargo, aun falta pulirlas mediante un proceso químico, el resultado son obleas de silicona perfectas.


Una vez perfectamente pulidas, ya estan listas para poder empezar con el diseño del circuito.


Para evitar que se produzca polvo que sea una fuente de contaminacion, las maquinas mueven los paquetes de obleas.


El problema central, es miniariturizar los diseños complejos para imprimirlos luego en las láminas. Eso se consigue mediante un proceso llamado fotolitografía. Primero se cubre la lamina con productos químicos.


Estos, al exponerlos a la luz ultravioleta se endurecen. En habitaciones oscuras, se hace pasar la luz a través de la imagen del diseño y luego a través de una lente para miniaturizarla y finalmente sobre la lámina. Cuando se quita el producto químico, la imagen prevalece como si se tratara de una foto.


Para colocar todos los componentes sobre la lámina, hay que hacerlo capa a capa.


Se repite el proceso fotográfico para cada nueva capa.


Algunas capas se calientan a alta temperatura. Otras se someten a ráfagas de plasma ionizado. Otras se bañan en metales. Cada tipo de tratamiento cambia las propiedades de una capa determinada y poco a poco acomoda el rompecabezas construyendo el diseño del chip.


Ahora solo hay que cortar y recortar.


Todo comienza con un cuadrado de cerámica llamado sustrato. Sobre el irá el microchip.


Una maquina aplica a la superficie del sustrato una capa de fundente, un agente quimico pegajoso que sostendra al chip hasta que lo deje soldado.


En estas instalaciones se reciben los microchips ya hechos, con todos sus circuitos en su sitio. Se coloca un microchip sobre cada sustrato, una maquina infraroja guia al chip para ser colocado en el lugar correcto.


Se toma una muestra de la cadena de montaje para verificar la posición con un microscopio. El siguiente paso será la soldadura en un horno a 365 °


El calor funde las diminutas gotas de estaño del chip uniéndolo al sustrato y a continuación se prepara todo para soldar una tapa de aluminio sobre cada microchip.


La tapa tiene dos funciones, proteger el chip y disipar el calor que este genere.


Un brazo robotico agarra cuatro tapas de una sola vez y las coloca sobre los microchips. Luego pasan al horno de soldadura donde permaneceran a unos 150° centigrados.


El siguiente paso es crear las conexiones electricas que conectaran el microprocesador con la tarjeta electronica del ordenador.


Las columnas caen por los agujeros mediante succion y se alinean de forma vertical para que puedan unirse a sustrato.


Una maquina forma una placa adhesiva y pega las columnas desde abajo.


Se coloca el chip que lleva el sustrato sobre las columnas empastadas.


El resultado es un microchip con mil conexiones. Para conseguir más conexiones se usan bolas de estaño en lugar de columnas porque las bolas son mas robustas y confiables.


Estas pasan por succion solo que con pasta se pega con fundente.


El microchip una vez terminado pasa por un baño de agua y disolventes para eliminar cualquier sobrante de fundentes o contaminantes.


La ultima parada es el control de calidad que incluye 12 horas en un horno a 140°. Desde aquí, el microprocesador pasará a otra fábrica donde lo soldarán a una tarjeta electrónica. El pequeño cerebro ya esta listo para trabajar!

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