Кремний

Пока еще новые техпроцессы худо-бедно появляются: В 2026м TSMC обещает нам 2-нм чипы, а может слегка раньше появится непонятный техпроцесс Intel 20A. Но вы же знаете, что это маркетинг. Качественного уменьшения размера транзистора нам ждать не стоит.

И причина тут в физике — минимальный размер затвора кремниевого транзистора составляет 5 нм. Пять кремниевых нанометров – это предел. При меньшем значении просто не получится создать транзистор — он не будет работать как переключатель, электроны будут свободно туннелировать через его канал не обращая внимания на запрещенную зону. Иными словами, такой транзистор будет всегда включен — так что никакой магии вычислений не будет. И чем меньше маркетинговый техпроцесс — тем ближе мы к этому физическому пределу, и тем существенней становится эффект туннелирования, мешая проводить вычисления.

Конечно, чипмейкеры всеми силами пытаются эту проблему решить — так, можно уменьшать другие части транзистора, или делать затвор хитромудрой формы — например, в виде плавника, откуда и пошла технология finfet в которой транзисторы по сути трехмерные.

Однако все эти ухищрения привели к тому, что плотность транзисторов в чипах серьезно выросла, и сейчас в кусочке кремния размером с ноготь могут быть сотни миллиардов крошечных переключателей, активно выделяющих тепло при работе друг над другом. И отвод тепла от этого бутерброда — серьезная проблема.

Что, если не кремний?

Глядя на все эти проблемы, вызванные кремнием на закате жизни, возникает вопрос — а почему бы не сменить этот химический элемент на что-то другое? Ведь едва ли он такой один в таблице Менделеева, насчитывающей уже больше сотни элементов. Все верно — не один. Существует такой металл как германий, из которого также можно делать полупроводники.

Более того, первые транзисторы в конце 40ых именно из этого металла и делали. У него в три раза выше электропроводность, меньше напряжение — а значит и потери тепла — на p-n-переходе и меньше сопротивление открытого канала — в общем, германий кажется лучше кремния в полупроводниках, однако уже к 60ым от него почти полностью отказались.

Причин было сразу три. Во-первых, этот металл гораздо дороже и встречается реже кремния, которого почти 30 % в земной коре. Кремний там второй после кислорода.

Во-вторых, у германия гораздо меньше термостабильность, то есть при нагреве он быстрее теряет свои характеристики, к тому же есть проблемы с окислением.

Ну и в-третьих, у него хуже теплопроводность — то есть отводить тепло сложнее, чем от кремниевого чипа. Все это привело к тому, что эпоха германиевых компьютеров оказалась такой же короткой, как и ламповых — дальше пришлось переходить на кремний.

Эпоха чистого германия закончилась лет 60 назад. НО мы живем во времена продвинутых сплавов и сложных химических соединений. Вспомните Т-1000 из терминатора 2! Неужели нельзя прокачать германий, чтобы он стал лучше кремния для производства полупроводников? Оказывается, можно, и такое вещество зовется германан. По сути это как графен, только из германия – тонкая одноатомная пленка. Ее производство – отдельный вид искусства, когда сначала делается слоеный пирог из графена и кальция, после чего последний вымывается водой, которая в процессе отдает свой водород, делая германиевые связи прочнее и позволяя отделять однослойные пленки этого металла.

Как оказалось, такие пленки проводят ток в десять раз лучше кремния, да и вопросы с охлаждением тут не стоят так остро. Но, разумеется, все еще до коммерческого производства пока далеко – создавать германан научились лишь в лабораториях, и пока нет ни одного готового чипа на его базе. Однако германан – это еще не все, есть другое соединение на базе которого даже удалось создать полупроводниковый чип.

Называется оно дисульфидом молибдена, или же - молибденит. Сейчас его в основном используют для создания различных сплавов, однако у него есть отличные полупроводниковые свойства, работающие при таких крошечных размерах, когда кремний окисляется до стекла. Так, ученым удалось довести толщину молибденита до 0.65 нм при полном сохранении полупроводниковых свойств.

И самое главное – удалось создать на его базе полупроводниковый фотодиод, который в 5 раз чувствительнее кремния. Это позволит создавать в будущем еще более светочувствительные матрицы для камер.

Но существуют ли идеальный химический элемент, который может заменить кремний? Да, это углерод. Это даже иронично – основа нашей жизни может стать и основой будущих терминаторов, хотя и надо признать, что в крайне необычной форме.

Называется это необычное соединение углеродными нанотрубками и представляет собой листы графена, которые свернули в рулон. И да, они также являются полупроводниками, причем атомной толщины, к тому же их электропроводность втрое выше кремния.

Интересно, что на основе таких углеродных нанотрубок уже удалось сделать первый чип с 14 000 транзисторов. Правда, его техпроцесс не поражает воображение – всего лишь около микрометра, то есть уровень кремниевых процессоров 80-ых годов, однако все же это полноценный чип, на котором уже удалось запустить программу уровня «привет, мир». В будущем ученые планируют уменьшать размер нанотрубок и тем самым создавать более быстрые и эффективные чипы – но все еще это достаточно далекое будущее.

Все это заставляет задать вопрос – а есть ли уже замена кремнию, которую может купить и пощупать любой человек, а не только пара ученых в крупных лабораториях? Да, есть – зарядки с нитридом галлия, или GaN. Этот полупроводник стал популярным в 90-ые, на его основе делались первые белые светодиоды и некоторые виды синих лазеров. Его особенность в том, что производить электронику на его основе можно на тех же заводах, где делают кремниевые полупроводники. Но при этом нитрид галлия имеет более широкую запрещенную зону, что позволяет ему работать при больших напряжениях или меньшем нагреве, чем кремний – и это свойство очень нужно в компактных зарядках, где его и стали активно применять.

Отказ от КМОП

Хорошо, с первым подходом разобрались – можно заменить кремний на другое вещество, до физического лимита которого еще далеко. Но ведь есть и второй путь – отказаться от привычных нам КМОП-транзисторов и перейти на что-то другое. КМОП расшифровывается как комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, и подавляющее большинство современных микросхем базируется на этом принципе, который был изобретен еще в 60-ых.

И возникает логичный вопрос – а что если пойти совсем другим путем и не отказываться от кремния, а изменить сам принцип работы микросхем?

Этот подход схож со сменой процессорных архитектур: так, Apple показала, что ее ARM-чипы M1 могут быть и ощутимо мощнее, и ощутимо холоднее многих современных х86-чипов от AMD и Intel. Возможно, отказ от КМОП-транзисторов сделает тоже самое? Что ж, такие идеи действительно есть, причем уже не только на бумаге – существуют так называемые туннельные или TFETS-транзисторы.

Они работают совершенно по-другому в отличие от полевых транзисторов: если для последних туннелирование электронов – это провал, транзистор не может закрыться и превращается в проводник, то вот TFETS-транзисторы именно на этом эффекте и работают. Все дело в том, что туннелирование выглядит как обман физики: логично, что если у электрона не хватает энергии для преодоления потенциального барьера, то он остается за ним, если ему не сообщить недостающую энергию. Однако эффект туннелирования позволяет электронам даже с недостаточной энергией «просачиваться» через этот барьер.

Иными словами, это позволяет TFETS-транзисторам работать при меньших напряжениях, чем обычным КМОП. Более того, уменьшение размера затвора тут ничем не грозит – чтобы избежать избыточного туннелирования нужно просто еще больше снизить напряжение – что к тому же приводит к меньшему выделению тепла. Неужели победа? Увы, не все так просто.

Во-первых, для производства туннельных транзисторов необходим графен — только это вещество обладает нужными свойствами. Во-вторых, для работы таких транзисторов требуются сверхнизкие температуры – увы, водянкой тут не обойтись, нужен жидкий азот. Так что ученым еще необходимо провести множество исследований, прежде чем мы увидим первые гаджеты на TFETS-транзисторах.

И раз уж мы уходим от классических КМОП-транзисторов, нельзя не вспомнить про мемристоры – нет мемы, тут не причем. Мемристоры были разработаны на бумаге еще в 70-ых годах, и их название происходит от слов memory – память и резистор. И это отлично описывает их главную особенность – если резистор это просто электрическое сопротивление, которое никак не меняется, то вот мемристор обладает эффектом памяти. Иными словами, он изменяет свою проводимость в соответствии с количеством протекшего через него электрического заряда.

Это свойство позволяет идеальному мемристору быть сразу и энергозависимой, и энергонезависимой памятью. То есть объединять ОЗУ и SSD. И это может перевернуть наши представления о хранении данных. Загрузка системы больше не будет нужна – ведь вся информация из ОЗУ и накопителя будет храниться в одном месте. Отключение электричества больше не приведет к потере информации – мемристор, будучи энергонезависимым, сохранит последнее состояние. Загрузка любых данных ускорится в разы – ведь больше не нужно перекидывать информацию между ОЗУ и накопителем.

Звучит как фантастика? Да, но это уже реальность. Израильская компания Weebit Nano сообщила об успешном завершении тестирования SoC на модульной архитектуре RISC-V с блоком встроенной резистивной памяти ReRAM на 128 КБ.  Такая память менее подвержена температурным колебаниям, радиации и другим негативным факторам, что делает её привлекательной для индустриального и военного сектора.

Ну а если уйти совсем в будущее, то мемристоры идеально подходят на роль искусственных синапсисов для создания максимально приближенных к человеческому мозгу нейросетей, причем конструировать их можно будет на стандартном микрочиповом оборудовании. Дело в том, что мемристор ведет себя очень похожим на синапс образом: чем больший сигнал через него пропускается — тем лучше он пропускает сигнал в будущем.

Это свойство идеально подходит для обучения терминаторов максимально реалистично подстраиваться под нас.

Меняем электроны на фотоны

Итак, мы рассмотрели два подхода: это замена кремния на другие вещества, и изменение принципа работы транзисторов. Что еще можно поменять? Ну, например, сами носители заряда и данных, электроны, в ряде случаев отлично заменяются фотонами. Многие слышали или даже пользуются технологией PON или GPON – оптической сетью, которая в крупных городах уже активно вытесняет медную витую пару, позволяя миллионам людей получать быстрый доступ в интернет.

Схожую технологию можно использовать и в компьютерах: передавать информацию при помощи света выгоднее, так как это позволяет получать широкую полосу пропускания, невосприимчивость к электрическим помехам и минимальный нагрев. Теоретически оптические соединения помогут снизить задержку и увеличить скорость взаимодействия между вычислительными блоками процессора и кэшем, или же между процессором и ОЗУ.

Ограничения медных проводников мы уже видим на практике, когда лишь первые слоты PCIe у новых процессоров Intel работают по новому протоколу 5.0, а чипы GDDR6X приходится располагать максимально близко к GPU.

Фотоника снимет все эти ограничения, что позволит компьютерам развиваться дальше, хотя и надо сказать, что это не решает проблему с физическим пределом кремния.

Квантовые компьютеры

Осталось рассказать о самом популярном и последнем возможном подходе, который меняет уже не саму физику, а всю логику работы компьютеров. Подавляющее большинство различной электроники вращается между нулем и единицей, присутствием и отсутствием заряда. Именно этот простейший принцип позволяет транзисторам считать, а ячейкам памяти хранить информацию. Но простейшее – не всегда лучшее: такой подход накладывает серьезные ограничения на многие задачи. Эти ограничения отлично обходят квантовые компьютеры. Для них ложки не существует – нет четких нуля и единицы. Они оперируют кубитами – квантовыми битами, которые имеют состояние ноль и один одновременно. Как это возможно!?

Простой пример. Сколько существует чисел, составленных из двух нулей или единиц? Очевидно, четыре: это 00, 01, 10 и 11. Для записи каждого потребуется по два бита, итого в сумме – 8 бит. А кубитов потребуется лишь два, то есть в четыре раза меньше.

Да, такой подход взрывает мозг. На деле все еще сложнее, ибо нельзя просто взять и получить результаты квантовых вычислений, так как система в каждый момент времени находится в произвольном состоянии, и попытка считать данные превратит ее в классическую. Но мы сейчас рассказываем не о принципах работы квантовых компьютерах - это отдельная тема, а о том, являются ли они будущим сложных вычислений. И ответ – да. Еще год назад китайский стартап Shenzhen SpinQ Technology продемонстрировал суперкомпьютер с двумя кубитами ценой всего в 5000 долларов.
Буквально через несколько месяцев после китайцев нидерландский стартап QuantWare представил свой уже 5-кубитовый компьютер. Правда, его цена объявлена не была, но суть и так понятна: квантовые компьютеры становятся начинают появляться в массах, так что вполне возможно, что именно за ними будущее персональной электроники.

А пока, можно выдохнуть. Да, мы близки к пределу кремния, но на нем мир клином не сошелся. Хватает различных веществ, которые могут его заменить. Можно поменять даже принцип работы транзисторов, более того – саму логику работы компьютеров. Так что технологический прогресс не остановить – электроника будет продолжать развиваться, но в каком именно направлении – покажет будущее, если в этой ветке событий оно продолжит для нас существовать.

Хотите пересекаться чаще, жмите на кнопку подписаться. Вместе с нами следить за IT-новостями можно читая наш Телеграм-канал и группу вконтакте.

Песок и стружки магния нагревают и получают кремний. Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике.

Источник: https://twitter.com/i/status/1469031783471665159

Но стоит снять с кристалла верхний слой пустого кремния, добавить капельку иммерсионного масла и чип начинает переливаться всеми цветами радуги, показывая свой богатый внутренний мир. Разумеется, эти цвета ложные — структуры внутри, давно уже имеют нанометровые размеры и на порядки меньше длины волны света.

Но в таком исполнении смотреть на миллиарды транзисторов гораздо интереснее. Сегодня я стану вашим проводником в богатый нанометровый мир. На связи МК, расслабьтесь и наслаждайтесь. Текстовая версия - под видео.

Красота из прошлого – Penitum II

Начнем нашу экскурсию вглубь старичка Pentium II родом из 97 года. Вторые пеньки производились по техпроцессу от 180 до 350 нм, а частоты достигали смешных по современным меркам 450 МГц.

Эти процессоры интересны тем, что среди них есть первые решения, производимые по технологии Flip Chip, то есть когда кристалл припаивается к подложке, а не соединяется с ней проводками.

На фото слева кристалл Pentium II, который изготовлен по старой «проводной» технологии Wire Bonding, справа — чуть более крупный собрат уже с Flip Chip.

При этом, что интересно, техпроцесс у них одинаковый, 250 нм, а увеличение площади произошло только из-за перехода на новую технологию. Да, на тот момент в новом способе производства не было смысла, но это позволило заложить фундамент для создания современных процессоров с тысячей контактов. Момент еще пока заметной глазу эволюции.

Core i9-9900K

И сразу для контраста погрузимся в знакомые многим 14 нанометров. Уничтожать старые чипы может каждый, то вот выводить из строя современные мощные CPU на много дороже. Но все же такие находятся и у нас есть возможность посмотреть что под верхним слоем кремния у быстрого 8-ядерного Core i9-9900K.

На фото отчетливо видны 8 прямоугольников ядер, и большая область справа — это интегрированная графика, которая занимает почти треть всего кристалла — раньше про нее мало кто вспоминал, сейчас другое время. Разумеется, после таких варварских экспериментов процессор умер, но в данном случае красота определенно стоила жертв.

Варварское уничтожение AMD Threadripper

Спасибо AMD, восьмью ядрами сейчас уже никого не удивить. Известный немецкий оверклокер Роман «Der8auer» Хартунг буквально разломал отнюдь недешевый Threadripper 1950X чтобы показать нам его 16-ядер.

В 2017 году это были те же 14 нанометров, вернее назывались так же как у Интел, но по факту на тот момент синие нанометры были меньше. Почему так мы рассказали в выпуске про 2 нм IBM.

Внутри огромного процессора оказались четыре 8-ядерных кристалла в каждом из которых хорошо видны две группы по 4 ядра -в этом и была причина высоких задержек у этих камней. Но все еще такой процессор выглядит как произведение искусства — до многокристальных чипов Intel, например, до сих пор не добралась, а может это уже и не нужно.

Как на самом деле выглядит процессор на примере Intel 4004

Глядя на красивые переливающиеся кристаллы многие, наверно, задаются вопросом — а как на самом деле выглядят процессоры внутри? Можем ли мы как-то это узнать? Разумеется — достаточно взять чип, техпроцесс которого больше длины волны видимого света, что позволяет разглядеть его внутренности в обычный световой микроскоп.

Пожалуй самый яркий пример — Intel 4004 — первый микропроцессор компании, 50 лет назад совершивший настоящую революцию в электронной промышленности. Его техпроцесс в 10 мкм на порядок больше длин волн видимого излучения, что делает его идеальным кандидатом для изучения. И, надо сказать, выглядит он не особо эффектно: оранжевые полоски — это медные дорожки, серые — различные кремниевые структуры. И да, это реальные процессорные цвета.

По оценке Intel, вычислительная мощность 10-летних процессоров Intel Core второго поколения с миллиардом транзисторов, не менее чем в 350 тыс. раз превосходит мощность первого процессора Intel. Невероятный прогресс за 40 лет. Сейчас мы такого уже не увидим.

Разглядываем отдельные транзисторы

Кстати о транзисторах, некоторые свежие процессоры имеют уже больше 40 миллиардов крошечных переключателей, которые увидеть в световой микроскоп невозможно. Но если очень хочется узнать, как на самом деле выглядит один транзистор, то можно обратиться к старым простым логическим микросхемам – например, советской 3320A, которая выпускалась в Зеленограде в 70х годах.

Этот золотой лабиринт не имеет ничего общего со словом техпроцесс ибо структуру микросхемы, которая представляет из себя пару логических элементов 4И-НЕ, можно рассмотреть буквально в школьный микроскоп.

И да, как видите по фото, никакой тут магии и сложной электроники нет — сам по себе транзистор устроен очень просто, что позволяет значительно их уменьшить и производить миллиардами штук.

Огромный кристалл AMD Fiji

Но что-то мы все о процессорах да о процессорах. Давайте посмотрим, как выглядят внутри видеочипы. Да, уничтожать дефицитные графические кристаллы сейчас выглядит кощунством, но спешу успокоить — фото были сделаны еще до дефицита. Итак, мы можем полюбоваться на большой 28 нм кристалл AMD Fiji, который работал в видеокартах Fury 2015 года выпуска и снабжался 4 ГБ памяти HBM.

Почти 9 млрд транзисторов. Прошло 6 лет, новыми эти карты уже не встретить, а на авито они стоят аж 25 000 рублей.

А вот еще фото другого GPU – на этот раз GP102, который ставился в топовую GTX 1080 Ti. Хорошо видны 6 кластеров GPC, что дает аж 3.5 тысячи потоковых процессоров. Мощь 12 млрд. транзисторов в 2017 году за 50 000 рублей.

Сенсор оптической мыши

Теперь, давайте уйдем в сторону. Вы никогда не задумывались, как выглядит сенсор оптической мыши? На самом деле достаточно занятно, ведь это объединение фотосенсора и чипа. Вы видите фотосенсор старенькой мышки с разрешением матрицы всего 22 на 22 пикселя (ST Microelectronics OS MLT 04), однако этого вполне хватает, чтобы улавливать изменения поверхности и тем самым определять сдвиг мыши. А с учетом того, что делать это нужно быстро, сам чип расположен в одном кристалле с фото матрицей.

У современных мышей разрешение матрицы выше и достигает сотни на сотню пикселей, что позволяет им быть точнее и быстрее. Но в целом сенсоры выглядят также. — например, на картинке можно полюбоваться на внутренности PixArt PMW 3310.

Смартфонный ARM-чип

Вернем к процессорам, на этот раз мобильным. Современные ARM-чипы можно в прямом смысле назвать искусством, ведь в одном кристалле прячутся и несколько кластеров ядер, и GPU, и многочисленные контроллеры. Так, например, выглядит 8-нм Exynos 9820.

Сходу тут сложно понять, где что. Но все же получилось определить, что в правом нижнем углу расположены два больших ядра M4, которые могут работать на частоте до 3 ГГц. Над ними 2 средних ядра Cortex A75 и 4 малых Cortex A55, которые ощутимо меньше и слабее. Слева внизу можно увидеть двухъядерный нейропроцессор, ну а выше от него расположен крупный GPU Mali с 12 ядрами.

Консольный чип Xbox One X

Что интересно, ARM-чипы очень напоминают APU из консолей. И это не случайно — последние также на одном кристалле имеют и процессорные ядра, и графику, и различные контроллеры. Так выглядит 16-нанометровый чип из Xbox One X.

Хорошо видно, насколько велика графика от AMD с 40 вычислительными модулями — она занимает 3/4 чипа. А вот 8 процессорных ядер AMD Jaguar можно сначала и не заметить – все дело в том, что по сути это урезанная архитектура, которая применялась для различных ультрабучных чипов «красной» компании, что и отразилось на их размерах.

Огромный кристалл 18-ядерного Core i9

В то время как AMD продолжает приносить в массы многокристальную структуру процессоров, Intel все еще выступает за один большой кристалл.

И в случае с высокопроизводительной линейкой гигантомания компании удивляет — так, в случае с Core i9-7980XE на одном кристалле размещено аж 18 ядер!

Разумеется, стоит такой CPU немало, но все тому же Роману «Дербауэру» он достался нерабочим от подписчика, что и позволило с чистой душой произвести вскрытие пациента. Картинки действительно удивляют — 18 огромных ядер вплотную друг к другу, из-за чего теплопакет составляет аж 165 Вт, а на деле выше 200. Но зато с межъядерными задержками все хорошо.

Российский чип Байкал

И под конец — а вы никогда не задумывались, как выглядят внутри российские процессоры? Много ли в них отличий от забугорных решений? На самом деле — нет, как показало вскрытие последнего Baikal — 2 миллиарда транзисторов на 28 нанометрах. Этот ARM-чип имеет два 4-ядерных кластера и графику Mali, а производится на заводах TSMC.

Так что внутренних отличий от других ARM-чипов, очевидно, немного, и структура действительно похожа на фото Exynos выше. К слову, на основе этого Байкала уже выпускаются и продаются простенькие, но отнюдь не дешевые ПК. 

Как видите, процессоры прошли огромный путь от простых интегральных схем, внутренности которых можно разглядеть буквально под лупой, до высокотехнологических чипов, состоящих из миллиардов транзисторов. И уже долгие годы человек не является главным звеном в цепи производства полупроводниковых кристаллов — целой жизни не хватит, чтобы расположить в кусочке кремния размером с ноготь такие огромные количества миниатюрных переключателей.

Да, вы правильно поняли — компьютеры проектируют процессоры. Умные машины создают себе подобных. А может, лет через 10, компьютеры решат, что мы вообще лишние в этой схеме? 

Фото чипов в высоком разрешении - https://www.flickr.com/photos/130561288@N04/albums

Мой Компьютер специально для Пикабу.

В начале был только песок…

Итак, мы хотим сделать процессор. Что нам для этого нужно? Кремний. Очень чистый кремний. Для этого его выращивают в специальных условиях, получая красивые блестящие цилиндрические кремниевые болванки с пирамидками на концах.

В дальнейшем эти цилиндры нарезают на тонкие листы, которые метко называются кремниевыми вафлями. Стандартный диаметр такой вафли — 300 миллиметров.

Но пока что такая блестящая пластинка далека от возможности проводить на ней вычисления. С помощью хитроумных масок и лазеров на ней нужно вытравить дорожки, слои изоляции и металлизации — короче говоря, превратить рисунок ключа в ключ. Вернее, в большое количество ключей.

На одной пластине можно вытравить десятки и даже сотни будущих процессорных кристаллов. Из-за различного преломления света в их слоях выглядят такие вафли очень красиво, их частенько показывают на презентациях, а при желании такие можно найти на Ali за пару тысяч рублей. Разумеется, китайцы продадут вам бракованную пластину, ибо стоимость работоспособной вафли легко может доходить до пары сотен тысяч долларов.

И, казалось бы, на этом все — достаточно из пластины вырезать все процессоры, распаять их на подложки, закрыть крышками и пустить в продажу. Но так бывает только в фантазиях наших чиновников.

Как минимум 5%, а то и 15% пластины сразу же идет в утиль. Все дело в том, что процессорные кристаллы обычно квадратные или прямоугольные, а вот вафля круглая. И да, вырастить квадратную кремниевую пластину не получится — таков путь.

Но ведь из оставшейся части вафли можно получить полноценные процессорные кристаллы и пустить их в продажу как Ryzen 9 или Core i9, правда? Увы, нет.

Дело в том, что сам процесс лазерного травления слоев металлизации в кремнии далек от совершенства и требует просто идеальных условий на предприятии, для чего создаются несколько куполов защиты. К тому же нужен идеально чистый кремний в вафле без всяких неоднородностей.

На практике же такого не бывает — мельчайшие частички пыли на маске или поверхности пластины могут привести к созданию неработоспособного процессорного кристалла. Вы только вдумайтесь — в кремнии вытравливаются структуры размерами всего в десяток нанометров. Их не то что глазом — даже в световой микроскоп увидеть нельзя. Поэтому даже если вафля кажется вам идеально чистой — на деле на ней могут быть тысячи наноразмерных пылинок, которые будут мешать вам создавать идеальные процессоры.

Что делать с такими бракованными частями вафли? Конечно, можно просто пустить их в утиль, на переплавку и создание новых кремниевых болванок. Но ведь травление стоит денег, и немалых, поэтому чипмейкеры стали поступать интереснее.

Они занялись биннингом. По сути копанием в браке и превращением его в продукт второго, а то и третьего сорта.=

Давайте посмотрим, как выглядит внутри процессорный кристалл на архитектуре Zen 2 или Zen 3.

Мы видим 8 ядер, различные контроллеры и кэш L3. С учетом того, что под крышкой у современных десктопных Ryzen два процессорных кристалла, то максимум мы можем получить 16 ядер, что мы и видим, например, у Ryzen 9 3950X.

Но очень часто бывает так, что при производстве оказываются бракованными отдельные ядра и даже целые кристаллы. Так что изначально 8-ядерный чип отключением 4 нерабочих ядер можно превратить, очевидно, в 4-ядерный, и именно таким способом рождаются Ryzen 3 3100 или 3300X.

При этом биннингом занимается не только AMD — у Intel тут возможности еще шире, ведь большая часть их кремниевых кристаллов идут с интегрированной графикой. И если она не работоспособна, то и ее можно отключить и продать получившийся CPU чуть дешевле — так родилась F-линейка.

И даже Apple с выходом собственного чипа M1 поступает аналогичным образом. Эта система на кристалле имеет 8 графических ядер, однако видимо они частенько бывают бракованными, поэтому младшие версии iMac и MacBook с таким чипом идут только с 7-ядерным GPU.

Тонкие материи биннинга

В итоге мы приходим к любопытному выводу — все современные Ryzen базируются на одном и том же 8-ядерном кристалле, просто в некоторых процессорах часть его ядер отключены. Так что никаких 24 производственных линий для каждого CPU не нужно.

В случае с Intel все немного запутаннее, но идея та же: производится 1-2 кристалла, из которых получаются все процессоры. Например, тот же 6-ядерный Core i5-9400 может быть отбраковкой от 8-ядерного кристалла с индексом P0, который используется в том числе в Core i9-9900K. А может иметь и полный 6-ядерный кристалл U0, который мы встречали, например, в Core i7-8700K.

Однако у самых любопытных уже наверняка появился вопрос — а как тогда получаются, например, 8-ядерные Ryzen 7 3700X и 3800X? Основное их отличие — частота, и к тому же даже с разгоном нередко 3700-ый немного не дотягивает до своего старшего собрата, то есть мы явно видим разницу на физическом уровне.

Так и есть. Все дело в том, что современные процессоры — настолько тонкие натуры, что на их частотный потенциал влияет чистота кремния. Да, тут уже начинают влиять примеси, а это, на секунду, сотые доли процента в случае с кремниевыми болванками. Золото 999 пробы просто курит в стороне.

В итоге чем ближе к центру вафли был взят процессорный кристалл, тем чище в нем будет кремний. Это влияет на так называемые токи утечки: чем они выше, тем сильнее  будет греться процессор, но и тем большие частоты он будет брать.

При этом разница может достигать нескольких сотен мегагерц, поэтому желание разделить такие кристаллы вполне естественно. Так что Ryzen 7 3800X или Core i9-11900K изначально создаются из кристаллов с высокими токами утечки, что позволяет им хорошо разгоняться, но и неприятно удивлять тепловыделением.

А вот Ryzen 7 3700X или Core i7-11700K создаются из кристаллов с низкими токами утечки, так что рекорды разгона на них не поставить. Но и потреблять они будут меньше.

В погоне за прибылью

Казалось бы, теперь все — мы поняли, как создаются процессоры с разным числом ядер и с разными частотами в одной линейке. Но погодите, скажете вы — откуда набирается столько брака, чтобы превращаться 8-ядерные кристаллы в 4-ядерные? Ведь очевидно что Ryzen 3 покупают больше, чем Ryzen 7— неужели на производстве так много некондиции?

Нет. Сообщается, что на конвейере TSMC уровень выхода годных кристаллов для 7-нм процессоров AMD с архитектурой Zen 2 перевалил за 85 %. Откуда же тогда берутся бракованные кристаллы для Ryzen 5, Ryzen 3 и тем более Athlon?

Урезанием работоспособных чипов. Вы правильно поняли, AMD, Intel и остальные чипмейкеры — пускают под нож полностью работоспособные Core i9 и Ryzen 9, чтобы получить Core i3 и Ryzen 3. Почему? Да потому что это выгодно.

Допустим, один 8-ядерный кристалл обходится AMD в 50 долларов, а за топовый Ryzen 9 компания хочет 500. Но далеко не каждый купит себе такой CPU — очевидно, что 200-долларовые Ryzen 5 продаются куда лучше. В итоге мы получаем, что если за каждый Ryzen 9 компания получит 450 долларов прибыли, то за Ryzen 5 — лишь 150, то есть в 3 раза меньше.

Однако если Ryzen 5 будет хотя бы в три раза популярнее Ryzen 9, имеет смысл ради них урезать старшие модели — как бы странно это не звучало, для компании такой подход оказывается выгоднее. Поэтому временами случаются казусы, и в руки пользователей попадает, например, 8-ядерный Ryzen 3 1200.

Да, изначально этот CPU должен иметь 4 ядра, но так как он безумно популярен, то ради прибыли AMD пустила на его производство полноценные 8-ядерные чипы, изредка забывая заблокировать рабочие ядра.

И это не первый такой случай везения — больше 10 лет назад AMD продавала 2-ядерные Athlon и 3- и 4-ядерные Phenom. Пользователи быстро сообразили, что добрая часть Athlon получена программно и стали разблокировать в них пару ядер и даже кэш через BIOS.

Но, к сожалению, вынужден огорчить — в современных реалиях это больше невозможно. Производители стали использовать между блоками ядер, кэшем и интегрированной графикой в кремниевых чипах специальные перемычки, которые пережигаются при блокировке. Поэтому программно восстановить отключенные ядра больше нельзя, и случай с 8-ядерным Ryzen 3 1200 — крайне редкое исключение.

Итоги

Что в результате? Никакой магии при производстве десятков моделей процессоров на одной архитектуре давно уже нет. Чипмейкеры уже десятилетиями занимаются биннингом, этот процесс поставлен на поток, дабы удешевить производство и снизить количество откровенного брака. Но все еще, устанавливая в свой ПК Ryzen 3, знайте — он мог стать Ryzen 9, просто жестокий мир подрезал ему крылья.

Подписывайся если такое интересно.