Что такое биннинг? В погоне за лучшими чипами

Вот вы принесли с магазина новенький процессор или видеокарту и подключили к своему компьютеру. Работает, вроде бы, отлично, и вы решаете его немного разогнать. Гигагерцы ползут выше и выше, и у вас появляется чувство, будто вы обладаете уникальным магическим кристаллом. А это точно не было так задумано?

Вам не терпится поделиться в интернете своей радостью от выигрыша в силиконовой лотерее, но через пару комментов вам говорят, что вам достался отбинованный чип (binned chip).

Если после этих слов вы представили инженера, который роется в мусорном ведре (bin – “корзина”) и гордо достаёт оттуда ваш супер-чип, тогда вам тем более стоит прочитать эту статью! Добро пожаловать в загадочный мир изготовления процессоров и чип-биннинга.

От пластины до кристалла

Все микросхемы делаются на дисках сверхчистого кремния, покрытого слоями металлизации, изоляции и полупроводниковых компонентов – будь то обычный CPU, какой-то особенный GPU, или DRAM системной памяти, – не важно. Весь производственный процесс очень сложен, а стоимость оборудования, с помощью которого в гигантских объёмах производятся новейшие чипы, исчисляется миллиардами долларов.


На современном заводе по производству чипов. Источник: TSMC

Эти диски называются полупроводниковыми пластинами (англ. wafer – “вафля”), и такие компании как Intel, GlobalFoundries и TSMC производят их миллионами ежегодно. Для обеспечения соответствия конечного продукта чрезвычайно требовательным к точности расчетам инженеров-микроэлектронщиков, необходимы инструменты и оборудование высочайшего качества.

Чтобы получить максимально безупречный продукт, производственные площади заводов находятся под небольшим давлением, чтобы не допустить попадания внутрь помещений бактерий и частиц пыли. Сотрудники носят защитные костюмы с той целью, чтобы не допустить попадания микроскопических частиц их кожи и волос в оборудование.


Возможно, это самый стерильный завод в мире. Источник: Intel

Готовая пластина – вещь красивая, и невероятно ценная. Каждая из них стоит тысячи долларов на изготовление, а весь процесс её создания – от начала до конца, от куска кремния до готового изделия – занимает месяцы. Каждый чип (на данной стадии он более известен как кристалл), который можно вырезать с пластины и продать, критически важен для покрытия затрат на их изготовление.


11.8-дюймовая (300 мм) «вафля» с множеством кристаллов процессоров Intel Core i9.

Для нарезки на отдельные кристаллы используется алмазный рез, при этом известная доля кусочков сразу идёт в отходы, поскольку находясь по краю круглой пластины, они попросту не могут быть полными прямоугольными кристаллами. В такие отходы попадёт от 5 до 25% всей пластины (процент зависит от размеров кристалла).

Оставшиеся монтируются на печатные платы, упаковываются в корпус, и при необходимости – снабжаются теплоотводом, чтобы в конечном итоге стать тем процессором, с которым мы все знакомы.

(Не)равенство ядер

Давайте взглянем на новейший процессор Intel в их семействе моделей Core, наиболее мощным из которых является Core i9-10900K, имеющий 10 ядер и встроенный GPU.

На фото мы видим то, что привыкли видеть, глядя на процессор. Но если отковырять теплораспределительную крышку и с помощью специальных инструментов докопаться до внутренностей, мы увидим совсем другую картину.

Нам откроется целый мегаполис с районами логических блоков, кварталами памяти SRAM, аэропортами интерфейсов и автострадами коммуникационных шин – в каждом чипе содержатся миллиарды отдельных электронных компонентов, работающих в синхронизированной гармонии.

На этой макрофотографии отмечены некоторые ключевые области. Слева находится система ввода-вывода (I/O system), включая контроллеры памяти DDR4-SDRAM, PCI Express и дисплея. А также там имеется система, обеспечивающая циркулярную связь ядер. Над системой ввода-вывода находится интерфейс системной памяти (DRAM interface), а с другой стороны кристалла мы видим встроенный графический чип, GPU. Эти три области присутствуют в любом процессоре Intel Core.


В середине расположены ядра процессора. Каждый из них является точной копией другого, и состоит из вычислительных модулей, модулей перемещения данных и прогнозирования будущих инструкций. По обе стороны от каждого ядра простираются две полосы L3 cache – кэша 3 уровня (другие уровни кэша находятся глубоко в ядре), каждая из которых обеспечивает 1 Мб сверхбыстрой памяти.

Вы думаете, Intel для каждой модели процессора будет производить отдельную пластину? Но фишка в том, что с одной общей пластины «i9-10900» может получиться любая из приведенных моделей:

Модель Кол-во ядер Кол-во потоков Базовая частота All Core Turbo Turbo Boost Объём L3 Cache PL1 TDP

Модель Кол-во ядер Кол-во 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 ГГц, это минимально-гарантированная тактовая частота, на которой будет работать процессор, независимо от нагрузки. «All Core Turbo» – это максимальная частота, на которой все ядра могут работать вместе, но не обязательно длительное время. «Turbo Boost» – то же самое, но речь только о 2 ядрах, работающих одновременно.

PL1 TDP расшифровывается как Power Level 1 Thermal Design Power – “Теплопакет на 1-м уровне мощности”. Это количество тепла, которое процессор будет выделять при работе на своих базовых частотах под любой нагрузкой. Он может и намного больше тепловой мощности произвести, но это замедлит работу процессора, а разработчики материнских плат, в целях предотвращения перегрева CPU, могут ограничить потребляемую чипом мощность.

Модели с буквой F на конце имеют отключенный GPU. А если в конце стоит буква K, то это значит, что процессор не заблокирован по частотам, и вы легко сможете разогнать его. Ну а T указывает на пониженное энергопотребление. Это лишь что касается рядовых моделей для настольных компьютеров, а ведь иные в итоге становятся процессорами Xeon, предназначенными для профессионального рынка, на которых функционируют рабочие станции или небольшие сервера.

Итак, все эти 19 разных моделей являются одним и тем же процессором. Как и почему так происходит?

Мир несовершенен

Какими бы потрясающими ни были заводы по производству чипов, но ни они, ни технологии и используемые материалы не совершенны на все 100%. Всегда будет несколько нано-изъянов – в оборудовании ли, или в глубинах кремния и используемых металлов. Как бы производители ни старались, но они не могут достичь абсолютной безупречности.

И когда вы пытаетесь создавать компоненты, которые настолько малы, что только мощные электронные микроскопы позволяют вам их разглядеть, ничто не ведет себя там так, как в обычном мире. В нанометровом мире гораздо явственней проявляет себя квантовая реальность, а случайности, шумы и прочее делают все возможное, чтобы помешать вам создать момент идеальности. Все эти проблемы стоят на пути производителей процессоров, и конечные результаты их воздействия классифицируются как дефекты.

Дефекты не всегда бывают существенными – иногда они могут просто привести к тому, что определенная часть чипа будет сильнее греться. Но если случай тяжёлый, то целый сектор может оказаться нефункциональным. Первое, что делают производители, это сканируют и тестируют пластины на дефекты.


Поиск дефектов с помощью прямого сравнения отпечатков (слева) и с помощью лазерно-отражающего метода (справа). Источник: Hitachi

Дефектоскопическое оборудование используется после изготовления пластины, но до её нарезки на кристаллы. Кристаллы (или пластины целиком), где обнаруживаются проблемы, помечаются для дальнейшего анализа.

Но даже эти шаги не обеспечивают полного детектирования мельчайших недочётов, поэтому после нарезки и сборки, готовые процессоры подвергаются ещё более пристальному тестированию.

Не все корзины – мусорные

Когда специалисты той же Intel садятся за проверку качества своих процессоров, они настраивают чипы для работы с установленным напряжением и с определенной тактовой частотой. В ходе различных стресс-тестов всех областей кристалла, тщательно замеряется количество потребляемой электроэнергии и выделяемого тепла.

В ходе этого специалисты обнаруживают, что одни чипы работают именно так, как требуется, а другие – лучше или хуже.

Для стабильной работы каких-то чипов может понадобиться повышенное напряжение, в то время как другие могут греться сильнее обычного. Ну и очевидно, некоторые вообще не смогут удовлетворительно пройти эти испытания.


Подготовка процессоров к финальному тестированию и проверке. Источник: Intel

Аналогичные исследования выполняются для процессоров с уже помеченными дефектами, только предварительно устанавливается, какие разделы чипа работают полноценно, а какие нет.

В конечном итоге, весь т.н. полезный выход продукции с пластины образует диапазон кристаллов, отличающихся друг от друга по своим функциональным потенциалам, стабильным частотам, вольтажу и тепловыделению. Как назвали эту процедуру сортировки чипов «по разным корзинкам», bin’ам? Чип-биннинг.

Никаких таких больших пластиковых корзин, куда специалисты с умным видом кидают процессоры, на самом деле, конечно, нет. Термин взят из статистики, где некий разброс значений может быть собран в группы, которые и называются bin’ами. К примеру, возрастные группы в каком-то демографическом анализе: от 0 до 5 лет, от 6 до 10, от 11 до 16 и т.д. Это и есть bin’ы.

То же самое и у нас. В нашем примере с i9-10900, у нас будет несколько бинов – по числу функциональных ядер, стабильному диапазону частот, нагреву, и т.д.


Предположим, мы имеем чип Core i9-10900, который был тщательно протестирован, и в нём обнаружилась пара серьезных дефектов, как показано выше. Два ядра и графический процессор оказались повреждены так, что просто не могут функционировать должным образом.

Что делает Intel? Он отключает убитые разделы и определяет данный чип как семиядерный без GPU, то есть теперь это Core i7-10700F. Но необходимо ещё проверить на тактовую частоту, мощность и стабильность. Если чип пройдёт эти испытания, то останется как i7, но если и их «завалит», то ему отключат ещё пару ядер и «понизят» до Core i5.

Учитывая все вышесказанное, чип-биннинг значительно повышает полезный выход пластин, потому что это означает, что больше работоспособных кристаллов можно реализовать.

В случае с процессорами Core 10-го поколения, на своих пластинах, помимо i9, вытравливаются Core i5, i3 и Pentium/Celeron. Последние в идеале имеют 6 ядер, и после проверки отбиновываются вплоть до 2-ядерных продуктов.

Часто спрос на продукцию превышает производственные возможности, поэтому неполноценные процессоры не выбрасываются, а предлагаются как более дешёвые модели, что помогает удовлетворять спрос на них. Порой у идеально работающего чипа отключают некоторые опции только лишь для того, чтобы восполнить нехватку дешёвых моделей за счёт избытка дорогих при выполнении заказов по отгрузке продукции с завода. Вот почему говорят о кремниевой лотерее, когда вы под видом дешёвого чипа можете получить на самом деле топовый чип.

Учитывая все вышесказанное, чип-биннинг значительно повышает полезный выход пластин, потому что это означает, что больше работоспособных кристаллов можно реализовать. Без него самые настоящие мусорные корзины в Intel были бы переполнены кремниевым ломом.

Отбинованные процессоры – уникальные?

Как и многие другие термины в вычислительной технике, значение термина «чип-биннинг» порой используется в несколько искажённом смысле. Интернет-магазины иногда продают специально отобранные штучные процессоры (которые, например, умеют разгоняться до безумных уровней или аномально-слабо греются) как «binned CPU». В реальности же все чипы отбинованные, поскольку все они проходят эту самую процедуру биновки.

Конечно, ничто не мешает розничному продавцу тоже отсортировать закупленную партию чипов. Дважды-отбинованные CPU, так сказать.

Магазины закупают процессоры AMD и Intel оптом (в контейнерах, содержащих десятки, если не сотни чипов), и какой-то сотрудник магазина может сесть за тестовый компьютер и протестировать каждый камень в партии – разогнать или понизить напряжение, зафиксировать температурные показатели, и т.д. Наилучшие образцы из партии могут быть предложены покупателю как уникальные, отборные, и ритейлер абсолютно вправе классифицировать их как «бинованные». Естественно, все эти затраченные на тесты усилия и время отразятся на конечной розничной цене продукта.

Так являются ли эти так называемые отбинованные чипы чем-то таким особенным? И да, и нет. Любой чип, используемый в вашем ПК, телефоне, автомобиле и т.д. так или иначе проходит какую-то сортировку. Это просто один из производственных этапов любых микросхем. Ваш любимый процессор или GPU, который удивляет какими-то выдающимися возможностями, вырезан вместе с другими кристаллами с одной общей кремниевой пластины, сотни тысяч которых производят заводы по всему миру.

По материалам: techspot.com


Популярные материалы

Квартальный отчет AMD: чистая прибыль компании за год увеличилась на 225%

Квартальный отчет AMD: чистая прибыль компании за год увеличилась на 225%

MSI представила материнские платы MEG B550 Unify и Unify-X

MSI представила материнские платы MEG B550 Unify и Unify-X

Между NVIDIA GeForce RTX 3080 и RTX 3090 может появиться еще одна видеокарта

Между NVIDIA GeForce RTX 3080 и RTX 3090 может появиться еще одна видеокарта

i2HARD.Youtube