Вы только что купили новый процессор или видеокарту и запустили ее в своем ПК. Кажется, что все отлично работает. Почему бы не заняться разгоном? Частота поднимается все выше и выше, и похоже, что у вас есть что-то особенное. Разве так должно быть?
Так что вы спешите поделиться своим восторгом на форуме. Сорвали «кремниевый» джекпот! И спустя несколько постов, вам говорят, что у вас «отбракованный» чип?
Теперь, если вы представляете инженера, рыскающего в контейнере и с гордостью вытаскивающего «золотой билет», то вам действительно нужно прочитать это объяснение! Добро пожаловать в волшебный мир изготовления и сортировки чипов.
Как производятся пластины с интегральными схемами ?
Все чипы, изготавливаются из сверхчистого кремния, металлов и полупроводников. Весь процесс длителен и чрезвычайно сложен ( весь процесс изготовления, от слитка кремния до изделия, — занимает месяцы), а производственные линии стоят миллиарды долларов.
Intel, GlobalFoundries и TSMC выпускают миллионы таких чипов каждый год. На производстве используются станки с высочайшим качеством и точностью, для того, чтобы конечный продукт максимально соответствовал планам инженеров. Для повышения эффективности процесса производственные участки герметизированы и находятся под увеличенным давлением. Рабочие заводов носят защитное снаряжение, чтобы гарантировать, что клетки кожи и волосы не попадут внутрь оборудования.
Готовая пластина - вещь прекрасная и невероятно ценная. Производство каждой из них стоит тысячи долларов Каждый микрочип (также известный как интегральная схема ), который можно снять с пластины и продать, имеет жизненно важное значение для возврата денег, потраченных на их изготовление.
Пластины разрезают алмазной пилой на чипы. Но определенный процент из снятого материала — просто металлолом, так как чипы по краю диска не считаются полными. Где-то от 5 до 25% пластины (количество зависит от размера процессора) будет выброшено.
Нарезанные чипы затем монтируются в корпус и покрываются термораспределителем, в следствии чего и получается всеми нами знакомый процессор.
Core (не) равенство
Давайте посмотрим на новейший процессор Intel в семействе моделей Core, самым мощным из которых является Core i9-10900K, имеющий 10 ядер и встроенный графический процессор.
Процессор состоит из логических блоков, памяти SRAM, интерфейсов и коммуникационных шин. В одном чипе, полностью синхронизовано, работают миллиарды компонентов.
Это изображение показывает основные зоны: система I/O, содержащая память DDR4-SDRAM (слева), PCI Express и контроллеры дисплея. Также там находится система, которая управляет коммуникациями всех ядер (ring interconnect). Чуть выше секции ввода/вывода находится интерфейс системной памяти, а на другой стороне матрицы виден встроенный графический чип — GPU. Независимо от того, каким процессором Intel Core вы пользуетесь, везде будут эти 3 части.
Между ними расположены ядра ЦП. Каждый из них является точной копией другого, наполненный модулями для обработки чисел, перемещения данных и прогнозирования будущих инструкций. По обе стороны от ядра расположены две полосы кеш-памяти уровня 3 (нижние уровни находятся глубоко внутри ядра), каждая из которых предлагает 1 МБ высокоскоростной памяти.
Вы можете подумать, что Intel делает новую пластину для каждого процессора, который они продают, но на одном диске i9-10900 будут производиться микросхемы, которые потенциально могут оказаться в одной из следующих моделей:
«Базовая частота», измеряемая в ГГц, является самой низкой гарантированной частотой, на которой будет работать чип, независимо от того, под какой нагрузкой он находится. «All Core Turbo» - это максимальная частота, на которой все ядра могут работать вместе, но не обязательно оставаться на ней очень долго. То же самое и с Turbo Boost, за исключением того, что это всего 2 ядра.
PL1 TDP означает уровень мощности 1 - расчетная тепловая мощность . Это то, сколько тепла будет выделять ЦП при работе на базовой частоте при любой нагрузке. Он может создать намного больше, но он ограничит скорость работы чипа, а при подключении к материнской плате разработчики могут ограничить, сколько энергии может потреблять чип, чтобы предотвратить это.
В моделях с кодами, оканчивающимися на F, графический процессор отключен; K указывает на то, что у него разблокированная система синхронизации (так что вы можете легко ее разогнать), а T означает низкое энергопотребление. Это просто процессоры для настольных ПК - некоторые из них в конечном итоге станут Xeon, процессорами, предназначенными для профессионального рынка, в форме рабочих станций или небольших серверов.
Итак, это 19 моделей всего одной конструкции - как и почему один чип превращается в столько разных типов?
Это несовершенный мир
Какими бы невероятными ни были заводы по производству микросхем, ни они, ни используемые технологии и материалы не идеальны на 100%. Всегда будут какие-то наноразмерные частички детрита либо внутри завода, либо глубоко внутри используемого сырого кремния и металлов. Как бы они ни старались, производители не могут сделать их полностью чистыми.
И когда вы пытаетесь создать компоненты, которые настолько малы, что только мощные электронные микроскопы позволяют их видеть, ничто не ведет себя так, как должно. В нанометровом мире квантовое поведение становится гораздо более заметным, а случайность, шум и другие сбои делают все возможное, чтобы нарушить тонкую игру чип-Jenga. Все эти проблемы противоречат производителям процессоров, и конечные результаты классифицируются как дефекты .
Не все дефекты серьезны - они могут просто привести к тому, что определенный участок микросхемы будет нагреваться больше, чем должен, но если он действительно плохой, то вся секция может оказаться полностью ненужной. Производители в первую очередь сканируют пластины на предмет дефектов.
Когда Intel и другие компании садятся проверять качество своих процессоров, они настраивают микросхемы для работы с заданным напряжением и определенной тактовой частотой; пока пресс-форма проходит ряд тестов, предназначенных для нагрузки на все различные секции, тщательно измеряется количество потребляемой электроэнергии и выделяемого тепла.
Они обнаружат, что некоторые чипы работают точно так, как требуется, а другие лучше или хуже.
Некоторым микросхемам может потребоваться более высокое напряжение для полной стабильности, внутренние части других микросхем могут выделять слишком много тепла, и, вероятно, некоторые просто не достигнут требуемых стандартов полной остановки.
Аналогичные исследования проводятся для процессоров, у которых обнаружены дефекты, но перед этим выполняются дополнительные проверки, чтобы увидеть, какие части микросхемы все еще работают, а какие биты выброшены.
Конечным результатом этого является то, что полезный выход пластины, называемый ее выходом , генерирует ряд кристаллов, которые можно классифицировать на основе их функционирующих частей, стабильных тактовых частот, необходимого напряжения и тепловой мощности.
То же самое сделано для пластин, и в случае нашего примера i9-10900K некоторые из ячеек будут для количества рабочих ядер, диапазона тактовых частот, в котором ЦП работает стабильно, и тепловыделения на определенных тактах.
Представим, что чип Core i9-10900 прошел тщательные испытания и обнаружил пару серьезных дефектов, как указано выше. Два ядра и графический процессор повреждены до такой степени, что просто не могут нормально функционировать.
Затем Intel отключит секции kaput и пометит его как чип для линейки Core i7-10700, в частности, модель F. Но затем его нужно проверить на тактовую частоту, мощность и стабильность. Если чип достигнет требуемых целей, он останется как i7, но если он не сможет полностью достичь этих целей, можно будет отключить еще 2 ядра и вместо этого использовать кристалл для модели Core i5.
С учетом всех обстоятельств, сортировка микросхем значительно улучшает выход пластин, поскольку это означает, что можно использовать и продавать больше матриц.