Техпроцесс

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.

https://www.overclockers.ua/news/hardware/2021-07-27/129644/

Получается, что — IBM обманула? В общем и целом — да. И не только она: на протяжение десятилетий нам врали об используемых техпроцессах в различных чипах. Так что пора стряхнуть лапшу с ушей и разобраться, что же такое техпроцесс на самом деле, и что вместо него указывают производители кремниевых чипов. Как всегда - текстовая версия под видео.

Немного истории в смеси с физикой

Ни для кого не секрет, что любой процессор состоит из тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторов — таких крошечных переключателей. Если ток через транзистор не течет, это можно обозвать логическим нулем. Течет — единицей. Поздравляю, мы только что изобрели двоичную логику. Проблема лишь в том, что для большинства пользовательских процессоров даже 70-ых годов требовалось тысячи транзисторов.

Разумеется, пинцетами их никто по процессорам не раскладывал, а вместо этого использовали фотолитографию, то есть буквально вытравливали в кремнии транзисторы через специальные маски мощными лазерами.

И тогда, да и сейчас, именно оборудование для фотолитографии было ограничивающим фактором роста — по сути все упирается в то, насколько маленький объект лазер может вытравить в пластине. И производители чипов быстро смекнули, что этой величиной можно писькомериться, но правда в обратную сторону, чем меньше — тем лучше.

И назвали ее техпроцессом. Да, техпроцесс — это не размер транзистора. Это именно разрешающая способность оборудования — иными словами, какой толщины может быть штрих, оставляемый лазером в кремнии. Ну и так как в транзисторе самой тонкой областью является затвор, то можно говорить, что техпроцесс — это размер затвора транзистора.

Почему этот параметр настолько важен? Чем меньше техпроцесс — тем больше транзисторов можно будет упихнуть в ту же площадь, и тем быстрее будет работать процессор. К тому же чем меньше транзистор — тем меньше энергии ему нужно для работы, и тем энергоэффективнее получается процессор.

Первые проблемы

В итоге с 70-ых годов прошлого века и до начала нового тысячелетия никаких особых проблем с техпроцессами не было: если все начиналось с красных 700-нм лазеров и техпроцесса в 10 мкм, то миллениум мы отметили уже с фиолетовыми лазерами на 400 нм и техпроцессом в 130 нм.

То есть техпроцесс стал тоньше на два порядка, при этом частоты выросли более чем в тысячу раз — с нескольких сотен килогерц у Intel 4004 до гигагерца у Athlon и Pentium 3.

Причем, кстати, пока техпроцесс составлял несколько микрометров, то есть был больше длины волны видимого света, можно было разглядеть отдельные транзисторы в обычный световой микроскоп. Сейчас это уже нереально — нужен дорогущий электронный микроскоп.

И я не просто так остановился на 130-нмах. Это был последний честный техпроцесс, по которому можно было сравнивать процессоры от различных компаний. Дальше начался легкий мухлеж, и положила этому начало Intel.

Компания стала откровенно подгонять свои процессоры под закон Мура, который гласит о том, что число транзисторов на интегральной схеме должно удваиваться раз в два года. Теперь вспомним школьный курс математики: для удваивания количества объектов на той же площади нужно уменьшить их линейные размеры в корень из 2 раз, или приблизительно в 1.4 раза.

А теперь поделите 130 на 90 — вы как раз получите около 1.4. И да, именно 90-нм техпроцесс использовался в Pentium 4, и, сюрприз, честным он не был.

На деле фотолитографическое оборудование было лишь слегка лучше чем то, что использовалось для 130-нм — и, к слову, это объясняет то, почему Pentium 4 были такими горячими и требовали уже серьезное охлаждение с медным пятаком.

Дальше — больше: в середине нулевых Intel была занята догонялками с AMD, ибо компании нужен был крутой двухъядерный процессор. Так и родилась линейка Core Duo, которая даже сейчас используется в офисных ПК. Официально эти процессоры работали на 65-нм техпроцессе. А теперь поставьте видео на паузу и поделите 90 на 65. Ну вы поняли, да? Опять получилось около 1.4.

Но, в общем и целом, тогда Intel этот мухлеж простили, ибо, с одной стороны, о нем знали далеко не все, а с другой — язык не поворачивается назвать что Pentium 4, что Core Duo плохими процессорами. В итоге маркетологов было уже не остановить, и что же мы получили?

От четкого физического понятия «разрешающая способность фотолитографического оборудования» мы перешли к достаточно размытому линейному размеру транзистора, который, вообще говоря, далеко не жестко связан с размерами затвора. Но, надо отметить, что хоть какая-то привязка к железу осталась. Правда, не надолго.

Полный отказ от логики и физики

Следовать букве закона Мура перестало получать уже в начале 2010-ых годов: последним техпроцессом, привязанным к линейным размерам транзистора, стали 32 нм, или знаменитые процессоры Sandy Bridge, они же Intel Core 2-ого поколения.

А дальше снова вмешалась физика: и хотя линейные размеры транзисторов не жестко связаны с затвором, все же уменьшение первых влечет к уменьшению вторых. И в итоге дошло до того, что больше уменьшать затвор просто не получалось: он переставал работать барьером, позволяя относительно свободно проходить через себя электронам.

И тогда появилась технология FinFET, дословно — плавниковый транзистор. Ключевым моментом стал уход из 2D в 3D: теперь затвор транзистора был не прямой, а имел П-образную структуру, что позволило увеличить его длину и избежать туннеллирования электронов через него.

К чему это привело? К тому, что это убило само понятие техпроцесса. Если раньше была хоть какая-то связь между размерами транзистора и его затвора, то с переходом к 3D-транзисторам и FinFET она совсем исчезла. То есть теперь нет никакой связи между фотолитографическим оборудованием и техпроцессом.

Разумеется, маркетологи радостно сказали «ага» и бросились клепать маркетинговые нанометры уже совершенно не стесняясь и не придерживаясь логики или физики.

В основном все продолжили считать техпроцессы по поверхностной плотности транзисторов, однако уровень достоверности с учетом их текущей 3D-шнести зашкаливает.

Причем, что забавно, наглость маркетологов у разных компаний разная, в итоге получаются смешные ситуации: например, принято хейтить Intel за то, что она только-только перешла на 10-нм техпроцесс, тогда как у TSMC во всю развивается 7-нм производство. Окей, глянем на линейные размеры транзисторов и что же мы видим?

Разница-то совсем невелика, а с 7-нм техпроцессом от Global Foundries у Intel вообще почти паритет.

А теперь просьба фанатов AMD отойти от экранов. Если перейти к настоящим нанометрам, то есть к затвору транзисторов, то у Zen 2 — а это 7 нм TSMC, напоминаю, — он составляет 22 нм. А вот у 14-нм Intel 10-ого поколения затвор 24-нмый.

Оценили всю силу маркетинга?

Будущее

И когда думаешь, что «ну хуже уже точно некуда», в пол обычно стучат снизу. Встречайте — HNS, Horizontal NanoSheets или горизонтальные нанолисты. Все дело в том, что уже и П-образный затвор с уменьшением размеров начинает пропускать электроны, поэтому теперь плавник предлагают разделить на несколько частей.

То есть теперь само понятие длины затвора не будет играть большой физической роли, так как он не сплошной. Так что техпроцесс чисто технически не получится высчитать. Goodnight, sweet prince.

Ну и подводя итог: техпроцесс не значит сейчас ровным счетом ничего. Его рисуют красивым маркетологи для улучшения продаж. Поэтому не имеет никакого смысла смотреть на этот показатель у современных CPU или GPU — лучше обратить внимание на бенчмарки, которые честно покажут превосходство того или иного чипа. И даже данные по поверхностным плотностям, которыми делятся многие производители чипов, теперь можно просто подтереться, так как они не учитывают их объемную структуру. Поэтому еще раз повторюсь — забудьте про нанометры, бенчмарки наше все.

Подписывайтесь если было интересно!

Мой Компьютер - специально для Пикабу.