«Отбракованный» чип. Как происходит сортировка процессоров?

#перевод #процессор #intel

Оригинал тут.

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.

Все чипы, будь то обычный процессор, ГП или DRAM, становящийся системной памятью — изготавливаются из дисков сверхчистого кремния, слоистых металлов, изоляторов и полупроводниковых материалов. Весь процесс чрезвычайно сложен, и заводы-изготовители, необходимые для создания новейших чипов в огромных объемах, стоят миллиарды долларов.

Эти диски известны как пластины. Intel, GlobalFoundries и TSMC выпускают миллионы таких дисков каждый год. Инструменты с высочайшим качеством необходимы для того, чтобы конечный продукт соответствовал планам инженеров, которые разработали чипы.

Для того, чтобы процесс был максимально безупречен, производственные участки заводов герметизированы, чтобы не допустить попадания бактерий и частиц пыли в воздух. Рабочие носят защитное снаряжение, чтобы как можно меньше клеток кожи и волос попало на оборудование.

Готовая пластина — вещь прекрасная и невероятно ценная. Каждая из них стоит тысячи долларов, а весь процесс изготовления, от слитка кремния до изделия, — занимает месяцы. Каждый чип (также известный как интегральная схема), вырезается с диска и продается. Это необходимо для того, чтобы окупить потраченные средства на изготовление.

Чтобы снять чипы, пластину нарезают алмазной пилой. 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.

Остальное затем монтируется в корпус и покрывается термораспределителем. В итоге получается всеми нами знакомый процессор.

Давайте взглянем на новейший процессор Intel в семействе Core — самый мощный из них Core i9-10900K, имеющий 10 ядер и встроенный GPU.

На фотографии ниже показано то, как мы обычно видим чип, но если бы мы могли убрать всю оболочку, всё выглядело бы иначе.

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 всеми остальными компонентами находятся ядра процессора. Каждое из них является копией другого. В чипе много блоков для анализа цифр, перемещения данных и «прогнозирования» будущих инструкции. По обеим сторонам от ядра располагаются две полосы кэш-памяти L3 (нижние уровни находятся глубоко внутри ядра), каждый из которых предлагает 1 МБ высокоскоростной памяти.

Возможно вы считаете, что Intel каждый раз делает новую пластину для каждого продаваемого процессора, но из одного i9-10900 диска будут производиться чипы, которые могут оказаться в любой из следующих моделей:

Частота по умолчанию (Base clock) в ГГц, являются самой низкой гарантированной частотой, на которой будет работать чип, независимо от того, под какой нагрузкой он находится. Все ядра в турбо режиме (All Core Turbo) — это максимальная частота, на которой все ядра могут работать вместе, но в течение непродолжительного промежутка времени. Это похоже на Turbo Boost, за исключением того, что в нём работают лишь 2 ядра.

PL1 TDP расшифровывается как Power Level 1 — требования по теплоотводу (Thermal Design Power). Это количество тепла, которое процессор выделяет, работая на своих базовых частотах при любой нагрузке. Тем не менее, чип может создавать намного большее количество тепла, а это в свою очередь ограничит скорость работы. Поэтому, разработчики могут ограничить то, сколько энергии может потреблять чип, чтобы предотвратить это.

Названия моделей, которые заканчиваются на букву F, имеют отключенный GPU; K обозначает разблокированную тактовую частоту (для разгона), а T — низкое энергопотребление. И это всего лишь десктопные ЦП. Некоторые чипы станут Зеонами (Xeon), предназначенные для профессионального рынка. Обычно выпускают в виде рабочих станций или небольших серверов.

Итак, это 19 моделей из одной пластины. Но, как и почему один чип появляется в разных моделях?

Какими бы невероятными не были заводы по производству процессоров, ни они, ни применяемые ими технологии и материалы не являются на 100% совершенными. Как и в самих фабриках, так и на используемом сырье (кремний и пр.) всегда будут присутствовать мельчайшие частицы пыли, измеряемые в нанометрах. И как бы не старались производители, они не могут сделать всё окружение полностью чистым.

И когда вы пытаетесь собрать компоненты, которые настолько малы, что только мощные электронные микроскопы позволяют их увидеть, ничто не ведет себя так, как должно. В нанометровом мире квантовое поведение становится гораздо более заметным. А случайности, помехи и другие глюки делают все возможное, чтобы сломать башню «Дженга» из чипов. Все эти проблемы выливаются в конечный результат — дефект.

Не все дефекты считаются серьёзными. Они могут просто привести к тому, что конкретный участок чипа будет быстрей нагреваться. Но если все очень плохо, то сектор целиком и полностью должен быть выброшен в мусор. Поэтому, производители в первую очередь проводят осмотр пластин на предмет дефектов.

После того как пластина изготовлена, но еще не нарезана на отдельные чипы – в дело вступают устройства, задача которых обнаруживать такие проблемы. Матрицы или пластины целиком, которые помечены как проблемные, откладываются в сторону для дальнейшего осмотра.

Но даже эти усилия не способны уловить все мелкие изъяны и глюки. Поэтому, готовые процессоры отправляются на еще одно, более тщательное тестирование.

Когда Intel, и другие крупные производители проверяют качество своих процессоров, они задают чипам определённое напряжение и тактовую частоту. Матрица проходит ряд бенчмарков, которые тщательно измеряют напряжение на всех участках, количество потребляемой электроэнергии и вырабатываемое тепло.

В итоге проверок, обнаруживаются чипы, работающие как надо. Но, помимо них, есть те, кто показал себя хуже или наоборот лучше.

Некоторые процессоры могут нуждаться в более высоком напряжении для лучшей стабильности, другие могут выделять слишком много тепла, а третьи просто не подходят под требуемыми стандарты.

Аналогичные тестирования проводятся и для дефектных процессоров, но перед этим выполняются дополнительные проверки, чтобы увидеть, какие участки чипа еще работают, а какие нет.

Конечным результатом этого является то, что пластина выдает «хорошую матрицу», со стабильной тактовой частотой, требуемым напряжением и теплоотдачей. Это и есть та самая сортировка чипов!

И матрицы в реальности не выбрасываются в корзину. (прим. bin может переводиться как интервал, ячейка). Например, опросы населения о возрастном распределении могут использовать интервал от 0 до 5 лет, от 6 до 10, от 11 до 16 и так далее.

То же самое организуется для пластин, например, в случае с i9-10900k, некоторые "bins" могут быть значением работающих ядер, диапазоном тактовой частоты, в котором ЦП стабилен, и тепловой мощности на определенной частоте.

Представим себе, что чип Core i9-10900 тщательно протестирован и имеет пару серьезных дефектов, как было указано выше. Два ядра и GPU повреждены до такого уровня, что они просто не могут нормально функционировать.

Тогда Intel отключает сломанный сектор и помечает весь чип как Core i7-10700, а точнее как F-модель. Но затем его нужно еще раз протестировать: на тактовые частоты, мощность и стабильность. Если бы чип успешно прошел все проверки, он остался бы i7, в противном случае были бы отключены еще два ядра, и вуаля, перед нами i5.

В случае 10-го поколения процессоров Core, у Intel отдельный дизайн для Core i5, i3 и Pentium/Celeron. Они начинаются с 6-ядерных чипов, а затем сортируются до 2-ядерных.

Спрос на продукцию часто может превосходить производственные возможности, поэтому для выполнения заказов используются 10 основных пластин. Иногда в идеально функционирующих матрицах секции отключаются только для того, чтобы обеспечить достаточную производительность с заводов. Это действительно означает, что покупая очередную новую модель вы играете в лотерею.

Учитывая все вышесказанное, отбор чипов увеличивает количество «хороших» пластин, потому что больше интегральных схем может быть использовано и продано. Если бы не это, то настоящие корзины Intel ломились бы от кремниевого мусора.

В интернет-магазинах иногда продают специальные процессоры, отобранные вручную (те, которые разгоняют до безумных пределов или те, что холодней чем поверхность Плутона). «Отборные процессоры». Реальность такова, что все чипы сортируются и их буквально вытаскивают из «мусорной корзины».

Конечно, ничто не мешает розничному продавцу сортировать их.

Процессоры AMD и Intel должны быть куплены оптом (лотки содержат десятки, если не сотни чипов), и вы можете проверить каждый: разогнать, понизить напряжение, записать их температуры, и так далее. Лучшие из партии затем продаются как «специальные», а продавцы могли бы справедливо классифицировать их как «отборные процессоры». Естественно, все эти дополнительные тесты занимают много времени, поэтому розничная цена продукта увеличивается, чтобы отразить это.

Являются ли эти так называемые «отбракованные чипы» в некотором роде особенными? И да, и нет. Каждый отдельный чип, используемый в вашем ПК, телефоне, автомобиле и т.д., прошел через процесс отбора. Это всего лишь очередной этап в производстве всех микропроцессоров и чипов DRAM. В свою очередь, это значит, что ваш любимый CPU или GPU, который отлично работает или хорошо разгоняется, всего лишь очередная интегральная схема из одной пластины, которые тысячами производятся на заводах по всему миру.