Некоторые чипы работают лучше других. Все потому, что производство процессоров далеко не идеально.
Представьте, вы только что купили новый процессор или видеокарту. Вы приходите домой и подключаете компонент к своему компьютеру. Все работает очень неплохо, и вы пробуете немного разогнать устройство. Гигагерцы ползут всё выше, и появляется чувство, что в ваших руках оказалось что-то особенное.
И вот вы бросаетесь в интернет, чтобы поделиться восторгом от такой удачи, а через пару комментариев кто-то заявляет, что вы просто получили «бинированный чип» («a binned chip»).
Слово «bin» переводится как «корзина» или «мусорное ведро». Теперь вы представляете себе инженера, который роется в мусоре и с гордостью вытаскивает «золотой билет». На самом деле всё немного иначе — добро пожаловать в волшебный мир производства процессоров.
Бесценные «вафли»
Все процессоры — будь то стандартные CPU, специализированные GPU или DRAM системной памяти — изготавливаются из дисков сверхчистого кремния, покрытых слоями изоляторов и полупроводниковых компонентов. Эти диски называются пластинами (на английском, «wafers» – «вафли»). Компании, вроде Intel и TSMC, выпускают миллионы таких «вафель» каждый год.
Чтобы итоговый продукт был максимально приближен к идеалу, производственные помещения заводов герметизированы — так в воздух не попадают бактерии и частицы пыли, а сами сотрудники носят защитные костюмы и работают на сверхточном оборудовании.
Готовая пластина — предмет невероятной красоты и ценности. Каждая из них стоит тысячи долларов, а весь процесс производства — от кремниевого слитка до продукта — занимает несколько месяцев.
После изготовления пластина разрезается алмазной пилой на несколько чипов. Поскольку сама «вафля» круглая, значительная часть компонентов по краям сразу попадает в мусорную корзину — они не могут стать стандартными прямоугольными кристаллами. Каждый чип, который можно извлечь из «вафли» и продать, критически важен для возврата вложений на их производство. Однако с пластины, как правило, выбрасывается от 5% до 25% компонентов с браком.
Оставшаяся часть качественных чипов затем монтируется на печатную плату и покрывается теплоотводом — другими словами, становится знакомым всем нам процессором.
Принципиальное (не)равенство
Давайте «вскроем» один из современных процессоров Intel — флагман Core i9-10900K с 10 ядрами и встроенной GPU. Добравшись до внутренностей, мы увидим целый город с кварталами логических блоков и памяти SRAM, вокзалами интерфейсов и магистралями коммуникаций — в каждом устройстве содержатся миллиарды отдельных компонентов, работающих в синхронизированной гармонии.
На рисунке ниже отмечены основные зоны процессоров. С левого края — система ввода-вывода (I/O system), содержащая память DDR4-SDRAM, PCI Express и контроллеры дисплея. Там же — система циркулярной коммуникации всех ядер. Чуть выше секции ввода-вывода находится интерфейс системной памяти, а с другой стороны кристалла — встроенный графический чип. Все эти области присутствуют в любом процессоре Intel Core.
Между всеми этими частями находятся ядра, каждый из которых является копией другого и состоит из вычислительных элементов, модулей перемещения данных и прогнозирования будущих инструкций. По обе стороны от ядра расположены полосы L3 cache – кэша третьего уровня. Каждая из них обеспечивает 1 мегабайт высокоскоростной памяти.
Можно подумать, что для каждого своего процессора Intel производит новую пластину. Однако на самом деле чипы из одной «вафли» i9-10900 вполне могут оказаться в любой из этих моделей.
| Модель | Количество ядер | Количество потоков | Базовая частота | All Core Turbo | Turbo Boost | Объём L3 Cache | PL1 TDP |
| i9-10900K | 10 | 20 | 3.7 | 4.8 | 5.1 | 20 | 125 |
| i9-10900KF | 10 | 20 | 3.7 | 4.8 | 5.1 | 20 | 125 |
| i9-10900 | 10 | 20 | 2.8 | 4.5 | 5.0 | 20 | 65 |
| i9-10900F | 10 | 20 | 2.8 | 4.5 | 5.0 | 20 | 65 |
| i9-10900T | 10 | 20 | 1.9 | 3.7 | 4.5 | 20 | 35 |
| i7-10700K | 8 | 16 | 3.8 | 4.7 | 5.0 | 16 | 125 |
| i7-10700KF | 8 | 16 | 3.8 | 4.7 | 5.0 | 16 | 125 |
| i7-10700 | 8 | 16 | 2.9 | 4.6 | 7.7 | 16 | 65 |
| i7-10700F | 8 | 16 | 2.9 | 4.6 | 4.7 | 16 | 65 |
| i7-10700T | 8 | 16 | 2.0 | 3.7 | 4.4 | 16 | 35 |
| i5-10600K | 6 | 12 | 4.1 | 4.5 | 4.8 | 12 | 125 |
| i5-10600K | 6 | 12 | 4.1 | 4.5 | 4.8 | 12 | 125 |
| i5-10600 | 6 | 12 | 3.3 | 4.4 | 4.8 | 12 | 65 |
| i5-10600T | 6 | 12 | 2.4 | 3.7 | 4.0 | 12 | 35 |
| i5-10500 | 6 | 12 | 3.1 | 4.2 | 4.5 | 12 | 65 |
| i5-10500T | 6 | 12 | 2.3 | 3.5 | 3.8 | 12 | 35 |
| i5-10400 | 6 | 12 | 2.9 | 4.0 | 4.3 | 12 | 65 |
| i5-10400F | 6 | 12 | 2.9 | 4.0 | 4.3 | 12 | 65 |
| i5-10400T | 6 | 12 | 2.0 | 3.2 | 3.6 | 12 | 35 |
«Базовая частота», измеряемая в гигагерцах — минимальная гарантированная частота, на которой процессор точно будет работать независимо от нагрузки. All Core Turbo — показатель максимальной частоты, на которой все ядра могут работать вместе, но необязательно долго. Аналогично с Turbo Boost, только этот показатель используется для двух ядер.
PL1 TDP расшифровывается как Power Level 1 Thermal Design Power. Это количество тепла, которое будет выделять процессор при работа на базовой частоте при любой нагрузке. Он может производить и больше тепловой мощности, однако это ограничивает скорость работы устройства. Поэтому разработчики ограничивают мощность, защищая CPU от перегрева.
Модели с кодами, заканчивающимися на F, имеют отключенный GPU. Символ K указывает, что процессор не заблокирован по частотам, и его легко можно разогнать. T обозначает низкое энергопотребление.
Выходит, что из одной пластины могут получиться целых 19 моделей. Как и почему один и тот же чип превращается в устройства различных типов?
Этот несовершенный мир
Какими бы невероятными не были заводы по изготовлению чипов, ни используемое оборудование, ни материалы не являются на 100% совершенными. На производстве всегда будут присутствовать наноразмерные частицы пыли и биологических материалов — как внутри здания, так и глубоко в структуре кремния и металлов. А когда вы создаете настолько мелкие компоненты, что их можно разглядеть только под мощным электронным микроскопом, приготовьтесь, что ничто не будет вести себя как обычно.
В нанометровом мире квантовое влияние становится гораздо более заметным: любая случайность, шум, сбой нарушает тонкую игру в «Чип-Дженгу». Последствия — появление дефектов.
Не все дефекты критичны. Например, какие-то недостатки приводят к тому, что определенный участок чипа греется сильнее, чем должен. Однако если проблема действительно серьезная, весь участок может быть полностью испорчен. Поэтому первым делом производители всегда сканируют пластины и выявляют погрешности.
Это делается после изготовления пластины, но до нарезания ее на отдельные чипы. Секторы и целые «вафли», на которых были обнаружены проблемы, помечаются и откладываются для дальнейшего изучения.
Однако на этом проверки не заканчивается. Уже после того, как прямоугольные кристаллы вырезаются из пластины, каждый из них проходит еще более тщательное тестирование.
Кремниевая лотерея
Когда Intel и другие компании начинают проверять качество процессоров, они настраивают чипы на работу с заданным напряжением и определенной частотой. Пока матрицы проходят ряд эталонных тестов, эксперты тщательно замеряют количество потребляемой ими электроэнергии и выделяемого тепла. В результате выясняется, что некоторые устройства работают точно так, как требуется, а какие-то — лучше или хуже.
Похожие испытания проводятся и для процессоров с помеченными дефектами, однако перед этим специалисты определяют, какие участки чипа еще работают, а какие уже являются металлоломом.
В итоге из одной пластины получается диапазон кристаллов, отличающиеся по своим функционирующим частям, стабильным тактовым частотам, требуемому напряжению и тепловыделению. Все эти устройства необходимо отсортировать по «по разным корзинкам», bin-ам. Отсюда и название процедуры: чип-биннинг.
Конечно, никакие чипы по корзинкам не разбрасываются. Термин взят из статистики, где распределение чисел может быть организовано в группы, которые и называются bin-ами. Например, в демографическом опросе могут использоваться bin’ы: от нуля до пяти лет, от 6 до 10 лет, от 11 до 16 лет и так далее.
Точно так же определяют по категориям и готовые процессоры. Рассмотрим на примере. Например, во время тестирования i9-10900K обнаружилось несколько серьезных дефектов: два ядра и GPU вообще не могут функционировать. Тогда Intel просто отключает поврежденные участки и определяет чип как семиядерное устройство без GPU. Теперь это Core i7-10700F.
Конечно, затем чип тестируется на частоту, мощность и стабильность. Если устройство пройдет испытания, оно останется i7. В противном случае ему отключат еще два ядра и будут использовать для модели Core i5.
Иногда спрос на продукцию превышает производственные мощности, поэтому производители специально отключают некоторые опции вполне работоспособных устройств, чтобы восполнить нехватку более дешевых моделей. Вот откуда взялось выражение «кремниевая лотерея»: покупая недорогой чип, вы можете на самом деле получить топовый процессор.
Бинирование значительно повышает полезный выход пластин, поскольку позволяет продавать больше работоспособных кристаллов. Без этой процедуры мусорные корзины Intel были бы переполнены отбракованным кремнием.
Отборные процессоры
Как и многие другие термины в айти, «чип-биннинг» иногда используется в искаженном варианте. Например, интернет-магазины продают специально отобранные вручную процессоры (которые разгоняются до безумного уровня или работают холоднее, чем поверхность Плутона) как «binned CPU».
На самом деле все чипы проходят через биннинг. Однако ничто не мешает продавцам второй раз «отбинировать» закупленную партию устройств.
Процессоры AMD и Intel закупаются оптом (в лотках, содержащих десятки, если не сотни, чипов). Ритейлер может самостоятельно сесть за тестовый компьютер и проверить каждый из них — например, разогнать и записать температуру. Затем лучшие из партии можно определить в категорию «особенных», продавец с полным правом может отнести их к категории «бинированных». Естественно, дополнительное тестирование требует времени и усилий, поэтому розничная цена продукта будет выше.
Являются ли «бинированные» чипы особенными? И да, и нет. Каждый процессор, используемый в вашем компьютере, телефоне, автомобиле прошел процедуру отбора. Это просто один из этапов в производстве всех устройств. Поэтому ваш любимый CPU или GPU, который работает на удивление прохладно или разгоняется как сумасшедший — это всего лишь очередной процессор, одна из сотен тысяч пластин, выпускаемых на заводах по всему миру.
Автор оригинального материала: журналист издания TechSpot Ник Эвансон (.
Переводчик: Ирина Голос
Оригинал можно прочитать по ссылке.