Los Ordenadores y la fabricación de microprocesadores.

I.     Introducción

El ordenador ha revolucionado el mundo en todos los aspectos, se ha convertido en una herramienta muy común en las tareas de la vida diaria, aunque por si sola puede realizar una cantidad de cálculos impresionante, en conjunto con dispositivos periféricos de entrada y salida se complementa para lograr tareas que nos ayudan en nuestro trabajo, universidad o en nuestras casas. Pero el ordenador no sería nada sin un circuito integrado muy especial, que le hace ser una herramienta impresionante, gracias a la lógica binaria, la electrónica digital y al desarrollo de circuitos integrados a base de transistores de silicio se pudo desarrollar la parte central de un ordenador llamado microprocesador. Los ordenadores son categorizados por muchos tipos, pero al que más interesa a los ingenieros es la velocidad a la cual puede realizar operaciones por segundo, una pequeña reseña se puede decir sobre un computador de 1Ghz en su microprocesador, esto quiere decir que puede realizar cien millones de cálculos por segundo.

II.     Aspecto histórico y desarrollo del Ordenador

Siglo 19

En el desarrollo del ordenador contribuyeron muchos personajes atraves de la historia, pero desde un principio existieron los ordenadores mecánicos como lo es el abaco. Un importante personaje que aporto mucho a lo que hoy es el ordenador moderno fue el matemático británico Charles Babbage quien en su tiempo (siglo 19) intentaba desarrollar un máquina de engranajes y ejes que puedan calcular, guardar información e imprimir resultados de los cálculos realizados, tuvo varias decepciones con estos ordenadores mecánicos, pero desarrollo un dispositivo que lo conocemos motor analítico que funcionaba con tarjetas perforadas. La siguiente evolución del ordenador llego cuando los EEUU trataba de realizar un censo de personas en la nación en el siglo 19, en donde realizar el conteo a mano era tedioso y muy poco eficaz, ahí Herman Hollerith un inventor de Nueva York desarrollo una máquinas que tabulaban electromecánicamente los datos por medio de tarjetas perforadas, una réplica de esta máquina se muestra en la figura 1. Un dato curioso es que la compañía que creo seria la precursora de la empresa tecnología hoy conocida como IBM Company. Esta máquina funcionaba de la manera que una tarjeta perforada representaba a un habitante y distribuía la información de manera que se muestre su edad, raza, sexo y profesión, después los trabajadores del censo metían las tarjetas perforadas en la máquina de tabulación y luego la maquina registraba los datos en una serie de diales. Esto agilizo el proceso de conteo de personas que vivían en los EEUU en tan solo 6 semanas. Estas máquinas funcionaban con electricidad, pero el tratamiento de datos era netamente mecánico, pero sería un pilar fundamental para los ordenadores modernos.

Fig. 1 - Maquina de tabulación por tarjetas perforadas.

Siglo 20

La evolución de los ordenadores en este siglo se causó por la segunda guerra mundial, y es en esta época nace la famosa maquina creada en Gran Bretaña, su único objetivo era descifrar el llamado código enigma desarrollado por los Alemanes en plena segunda guerra mundial y era utilizado para dar mensajes encriptados de ataques y bombardeos. Mientras que en los EEUU se desarrolló otra máquina con otro objetivo, había un problema con las tablas de disparos para piezas de artillería. John Mocley un físico de Pensilvania fabrica un ordenador gigante llamado Eniac, el integrador numérico electrónico y ordenador, su estructura formada por 7000 resistencias, 10000 condensadores, 6000 interruptores, y 18000 tubos de vacío, tenía 100 pies de altura y pesaba unas 30 toneladas. Un problema que tenía esta máquina es que se sobrecalentaban los tubos y aquí comenzaba los problemas con la temperatura de los dispositivos. Dentro de sus capacidades se encontraba que podía realizar 5000 sumas, 358 multiplicaciones y 38 divisiones por segundo. Además se podía reconfigurar su programación para realizar diversas tareas y para programarlo se necesitaba recambiar su cableado y su memoria era muy primitiva capaz de almacenar 20,10 numero decimales y no podía tomar decisiones lógicas de acuerdo con sus cálculos obtenidos. Años después, de la mano de John von Neuman realizo un artículo muy prometedor en el cual articulaba un ordenador con dos partes que son:

• Unidad de Procesamiento
• Unidad de Control

Esta estructura sigue siendo la utilizada por los ordenadores modernos, incluyendo memoria y dispositivos de entrada y salida, pero lo que algo característico en este sistema era la programación que se le daba al ordenador que se podía guardar en su memoria. Colegas del científico J. Presper Eckert y John William Mauchly que habían trabajado con Neuman desarrollaron la primera computadora comercial, se llamaba UNIVAC I y podía ser programa para varias tareas como nóminas, inventarios y facturación, estas utilizaban un sistema de memoria con cintas magnéticas. Y esta máquina seria la protagonista en las elecciones 1952 en los EEUU, los sondeos de la elecciones calcularon los votos tan rápido que tenían un resultado mucho mas rápido, asi es como varias empresas se interesaron por el desarrollo de los ordenadores, en la figura 2 se encuentra una foto de la estación de control de este ordenador UNIVAC I.

Fig. 2 - Estación de control del UNIVAC I

A mediados de este siglo se logró desarrollar los transistores de silicio, y este remplazo a los antiguos tubos de vacío, mientras más desarrollos que se realizaban con los transistores, como los son los transistores BJT de tecnología TTL y luego los de tecnología CMOS, al paso del tiempo se lograron percatar que podían miniaturizarlos hasta desarrollar lo que se conoce como circuito integrado y estos circuitos formarían lo que son los chips, de esta manera los dispositivos electrónicos se hacían más pequeños y se podían desarrollar ordenadores más pequeños. Podríamos hacer un paréntesis para decir que los transistores BJT son aquellos que se excitan a través de una corriente de base mientras que los transistores FET se excitan a través de un voltaje de puerta-fuente (gate-source), así los transistores de acuerdo a su excitación podían funcionar como interruptores, lenguaje lógico que con la electrónica digital podían formar sistemas digitales y con ello desarrollar un chip de silicio o circuito integrado. Otro gran avance que se dio con los ordenadores fue que la invención de un tipo particular de circuito integrado que sería el microprocesador.

Una empresa precursora de los ordenadores con estos chips particulares fue Xerox, este desarrollo el ordenador ALTO, el cual tenía un ratón, un teclado, una interfaz gráfica y una impresora para imprimir resultados, pero su costo era de vario miles de dólares. Con el avance y la miniaturización de microprocesadores hizo que las empresas desarrollaran ordenadores mucho más pequeños y mucho más baratos. Asi otra empresa precursora fue Apple con su ordenador Apple I, el cual dio a la gente promedio un ordenador que podía realizar varias tareas y a un precio accesible, asi es como los ordenadores fuesen personales. Con el avance del ordenador personal, la tendencia de los ordenadores es que los microprocesadores se hagan más pequeños y más rápidos. De acuerdo al primer video visto, se desarrollaba ordenadores moleculares que tiene sus unidades control y procesamiento en interruptores moleculares, además enuncia una posible combinación de ordenador – humano por medio del cerebro, algo que en mi perspectiva tenemos años luz para lograr eso.

III.     Maquinas Industriales

El ordenador utiliza el código binario para realizar cálculos y procesos, esta característica es la que los profesionales los eligen para efectuar sus tareas, un ordenador común y corriente puede efectuar mil millones de procesos (1Ghz) pero este número de procesos es nada comparado con las maquinas industriales, como un ejemplo dentro del documental “Las Maravillas de los Ordenadores y Computadoras” nos muestra el supercomputador ASCI White desarrollado por los Laboratorios Lawrence Livermore en California y tenía una capacidad de realizar 12 trillones de cálculos por segundo, donde el Dr. David Cooper explica que su estructura es la conexión de varios equipos (estaciones) IBM para que efectuasen varios cálculos como un conjunto, en resumen esta supercomputadora es un CLUSTER de las computadoras RS/6000 SP y en total hubo 8000 nodos como se logra apreciar en la figura 3. Su funcionamiento fue puesta en marcha en el 2001 y se encargaba en su tiempo del control de las armas nucleares de los EE.UU, además con su capacidad de cálculo realizaba simulaciones de armas nucleares, además podía modelar moléculas y realizar cualquier calculo grande que cualquier investigación lo requiera, su sucesor seria el NEC Earth Simulator.

Fig. 3 - Cluster de ordenadores IBM | ASCI White

IV.     Como se hace un microprocesador

De acuerdo con el segundo video “Cómo se hace un microprocesador”, la base para fabricar un microprocesador esta en una laminas de silicio, dado que es un material semiconductor, el mismo que es usado para fabricar diodos y transistores, dispositivos que al estar fabricados con silicio puede dejar o bloquear la corriente eléctrica, hay que tener en cuenta que la pureza del silicio para fabricar un microprocesador debe ser muy alta y en la fábrica MEMC lo saben y utilizan el silicio poli-cristalino que lo funden junto con gas argón hasta tener un cilindro de silicio, en la figura 4 se puede apreciar el cilindro de silicio. Mientras que en la figura 5 se encuentra el cilindro ya terminado y en la figura 6 se encuentra la obtención de las obleas con un procesador cortado al cilindro.

Fig. 4 - Fundido de Silicio Policristalino.

Fig. 5 - Cilindro de Silicio para rodajar en obleas de Silicio.

Fig. 6 - Obtención de obleas de silicio.

De este cilindro se obtendrán obleas de silicio que tendrán una pureza del 99,9999%, y pasara a otro tratamiento de labreado y un proceso químico para alisar y pulir las obleas de silicio, la fase de pulido se puede apreciar en la figura 6 en donde la fuerza centrífuga de una superficie más grande pulirá la parte superior de la oblea de silicio

Fig. 7 - Pulido de Obleas de Silicio.

Luego de estos procesos para obtener las láminas de silicio, las empresas que fabrican chips, tal como lo es Texas Instruments, los diseños para colocar transistores en un chip es una tarea muy compleja, dado que se debe trabajar a escalas de nanómetros, e insertar cientos de millones de transitares en tan solo unos cuantos centímetros requiere de un trabajo en conjunto, así pues un milímetro de polvo en un chip puede causar el mal funcionamiento de un chip. La fabricación se necesita instalaciones adecuadas libre de polvo, donde el aire sea lo suficientemente limpio para poder fabricarlos, de esta manera en las instalaciones de Texas Instruments cumplen con estas exigencias y usan maquinas acopladas aun tren de escalamiento en la parte superior para transportar la caja de obleas de silicio, una apreciación de estas máquinas se encuentra en la figura 8.

Fig. 8 - Maquina de Transporte para Cajas de Obleas.

Para la miniaturización se usa un proceso de fotolitografía que consiste en cubrir en productos químicos fotosensibles que se endurecen al exponenrlos a una luz ultravioleta, la luz ultravioleta se hace pasar por una imagen del diseño y luego sobre una lente para miniaturizarla y por ultimo sobre la lámina, al quitar el producto químico el diseño permanece en la lámina de silicio y el efecto es similar al de revelar una fotografia, en la figura 9 se puede apreciar este procedimiento.

Fig. 9 - Proceso de fotolitografía.

Para colocar todos los componentes sobre la lámina se debe realizarlo capa a capa, entonces la lámina pasara por el proceso de fotolitografía varias veces, y por otros de calentarse a alta temperatura, una exposición a gas ionizado entre otras. Usando varios tratamientos se logra obtener una lámina que contendrá miles de microchips diferentes y cientos de millones de componentes electrónicos, una lámina terminada se encuentra en la figura 10. Lo último que faltaría realizar es cortar cada uno de los chips para su respectivo comercio, en la figura 11 se puede apreciar esto.

Fig. 10 - Lamina de Silicon contenida de microprocesadores.

Fig. 11 - Microprocesadores cortados de la lámina de Silicio.

V.     Conexión de un Microchip

Para la conexión se utiliza un sustrato, el más común dióxido de silicio el cual mantendrá firme al microchip, el montaje se lo realiza con un máquina y con fundente. Se colocara un capa que tendrá el microchip, que su función será proteger el chip y disipar el calor que este efectué, la soldadura a 150 grados centígrados soldara las partes del sustrato. Las conexiones eléctricas se realizan con columnas de estaño y se pegara con pasta para fijarlas al sustrato de la parte de abajo del microchip. Esto dará lugar a microchip con miles de conexión, otro tratamiento se puede realizar con bolas de estaño por ser más firmes. Por último el microchip pasa por disolventes para limpiarlo de cualquier fundente sobrante o contaminantes y por ultimo este microchip pasara por el control de calidad, estará en un horno a 140 grados centígrados por 12 horas. En la figura 12 se muestra un microchip terminado, este pasara a otra fábrica de electrónica que se insertada a algún dispositivo electrónico.

Fig. 12 -  Microprocesador Final

VI.     Biografías de Personajes relevantes

Herman Hollerith

Herman Hollerith fue un inventor y estadístico norteamericano que creo la máquina de tabulación electromecánica para tarjetas perforadas para ayudar a resumir la información y, más tarde, a la contabilidad, su máquina fue patentada en 1884, y marcó el inicio de los sistemas de procesamiento de datos. Herman es el fundador de la compañía Tabulating Machine Company que que al funcionarse con otras companias formaría la llamada Computing Tabulating Recording Company, que luego se llamaría IBM.

John von Neuman

John von nacio el 28 de diciembre de 1903 fue un matemático, científico informático e ingeniero norteamericano que fue  considerado como el matemático más destacado de su tiempo, que combina tanto las ciencias puras y las aplicadas. Este matematico fue el resoponsable de desarrollar la teoría de juegos y los fundamentos de los autómatas y del odernador moderno formado por la unidad de proceso y la unidad de contron.

Marcian Hoff

Edward nacio el 28 de Octubre de 1937 en Nueva York y se le considera como uno de los desarrolladores de microprocesador. Hoff trabajaba para Intel desde el año 1968 y tuvo la idea de utilizar una especie procesador universal a diferencia de un cantidad grande de circuitos personalizados este dispositivo funcionaria en conjunto de instrucciones para el chip Intel 4004 que iniciaria la evolucion de los microprocesadores en los años setenta.

VII.     Referencias

[1]	Cómo se hace un microprocesador. [Película]. Discovery Max.
[2]	Las Maravillas de los Ordenadores y Computadoras Documental. [Película]. History Channel.
[3]	Microchemicals, «Silicon Wafers - Production and Specifications,» Silicon Wafers - Production and Specifications, p. 28, 2012.