الأخبار

ما هو Chip Binning؟

لقد اشتريت للتو وحدة CPU أو بطاقة رسومات جديدة، وقمت بتشغيلها في جهاز الكمبيوتر الخاص بك. يبدو أنه يعمل بشكل رائع، لذلك تحاول القليل من رفع تردد التشغيل. يرتفع GHz أعلى وأعلى، ويبدو أنك حصلت على شيء مميز. بالتأكيد ليس من المفترض أن يكون مثل هذا؟

لذلك أنت تندفع إلى الإنترنت لمشاركة حماسك بفوزك بالجائزة الكبرى للسيليكون، وفي غضون بضع منشورات، أعلن أحدهم أنك حصلت على شريحة مهملة.

الآن، إذا كنت تتخيل مهندسًا يبحث في سلة مهملات ويفتخر بسحب تذكرة ذهبية، فأنت تحتاج حقًا إلى قراءة هذا الشرح! مرحبًا بك في العالم السحري لتصنيع المعالج وتجميع الشرائح.

Wafers to die for
جميع الرقائق مصنوعة من أقراص من السيليكون فائق النقاء، مع طبقات من المعادن والعوازل والمواد شبه الموصلة، سواء كانت وحدة معالجة مركزية قياسية أو معالج رسومات متخصصًا أو DRAM لتصبح ذاكرة نظام. العملية برمتها معقدة للغاية والمصانع المطلوبة لبناء أحدث الرقائق بأحجام ضخمة، تكلف مليارات الدولارات.
داخل مصنع حديث لتصنيع الرقائق - المصدر : TSMC

تُعرف هذه الأقراص باسم رقائق wafers ويصدر أمثال Intel و GlobalFoundries و TSMC الملايين منها كل عام. هناك حاجة إلى أدوات عالية الجودة لضمان تطابق المنتج النهائي مع الخطط فائقة الدقة من المهندسين الذين صمموا الرقائق.

للحفاظ على كل شيء بالقرب من الكمال قدر الإمكان، تكون مناطق الإنتاج في المصانع مضغوطة قليلاً لإبقاء البكتيريا المحمولة جواً وجزيئات الغبار خارج الغرف. يرتدي العمال معدات واقية لضمان دخول أقل قدر ممكن من خلايا الجلد والشعر إلى الماكينة.
أنظف مصنع في العالم - المصدر : Intel

الرقاقة النهائية finished wafer هي شيء جميل وقيمة للغاية أيضًا. كل واحدة تكلف آلاف الدولارات لتصنيعها، وعملية التصنيع بأكملها - من سبيكة السيليكون إلى المنتج - تستغرق شهورًا من البداية إلى النهاية. تعد كل شريحة (تُعرف أيضًا باسم النرد die) يمكن أخذها من القرص وبيعها أمرًا حيويًا لاسترداد الأموال التي تم إنفاقها على صنعها.
رقاقة بحجم 11.8 بوصة (300 مم) من معالجات Intel 9th-gen Core

لإخراجها، يتم تقطيع الرقاقة باستخدام منشار ماسي، لكن النسبة المعقولة منه عبارة عن خردة تمامًا، حيث أن الرقائق الموجودة على الحافة ليست كاملة. في أي مكان، سيتم التخلص من 5 إلى 25٪ من الرقاقة (يعتمد المبلغ كثيرًا على حجم الرقاقة).

يتم بعد ذلك تثبيت الباقي على حزمة لوحة الدائرة ومن المحتمل تغطيته بموزع حراري، ليصبح في النهاية وحدة المعالجة المركزية التي نعرفها جميعًا.

Core (in) equality
دعنا نلقي نظرة على أحد معالجات Intel الحديثة نسبيًا - معالج Core i9-10900K القديم، والذي يحتوي على 10 مراكز ووحدة معالجة رسومات مدمجة. تُظهر الصورة أدناه كيف نعرف ونرى عادةً مكونات الكمبيوتر هذه، ولكن إذا تمكنا من التخلص من موزع الحرارة واستخدام بطارية من الأدوات للتعمق في أحشاء الشريحة، فسيبدو الأمر مختلفًا تمامًا.
وحدة المعالجة المركزية الفعلية عبارة عن منظر للمدينة من الكتل المنطقية، وتخزين SRAM، والواجهات، وحافلات الاتصال - في شريحة واحدة فقط، هناك مليارات المكونات الإلكترونية الفردية، وكلها تعمل في وئام متزامن.

تسلط هذه الصورة المصنفة الضوء على بعض المجالات الرئيسية - في أقصى اليسار يوجد نظام الإدخال / الإخراج، الذي يحتوي على ذاكرة DDR4-SDRAM و PCI Express ووحدات تحكم العرض. يوجد أيضًا معبأ في النظام الذي يدير حلقة الاتصال لجميع النوى. يوجد أعلى قسم الإدخال / الإخراج مباشرةً في واجهة ذاكرة النظام وعلى الجانب الآخر من القالب، يمكننا رؤية شريحة الرسومات المدمجة، وحدة معالجة الرسومات. بغض النظر عن معالج Intel Core الذي تحصل عليه، ستكون هذه الأجزاء الثلاثة جميعها موجودة.
محشوة بين كل هذه النوى وحدة المعالجة المركزية. كل واحدة عبارة عن نسخة كربونية من الأخرى، مليئة بالوحدات لسحق الأرقام ونقل البيانات والتنبؤ بالتعليمات المستقبلية. يوجد على جانبي النواة شريحتان من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى 3 (المستويات السفلية عميقة داخل القلب)، حيث يوفر كل منهما 1 ميجابايت من التخزين عالي السرعة.

قد تعتقد أن Intel تصنع رقاقة جديدة لكل وحدة معالجة مركزية تبيعها، ولكن قرص "i9-10900" واحد سينتج رقائق يمكن أن ينتهي بها الأمر في أي من النماذج التالية:
"الساعة الأساسية 'Base Clock"، المقاسة بالجيجاهرتز، هي أقل تردد مضمون ستعمل به الشريحة، بغض النظر عن الحمولة التي تحتها. "All Core Turbo" هو الحد الأقصى للتردد الذي يمكن أن تعمل به جميع النوى معًا، ولكن ليس بالضرورة أن تبقى لفترة طويلة جدًا. إنه شيء مشابه لـ "Turbo Boost" باستثناء أن هذه مجرد نواتين.

PL1 يرمز TDP إلى مستوى الطاقة 1 - قوة التصميم الحراري. إنه مقدار الحرارة التي ستنتجها وحدة المعالجة المركزية أثناء التشغيل في الساعة الأساسية تحت أي حمل. يمكن أن تخلق أكثر من ذلك بكثير، لكنها ستحد من السرعات التي ستعمل بها الشريحة وعندما يتم توصيلها باللوحة الأم، قد يحد المصممون من مقدار الطاقة التي يمكن أن تستوعبها الشريحة، لمنع ذلك.

النماذج ذات الرموز المنتهية بحرف F لها وحدة معالجة رسومات معطلة ؛ يشير K إلى أنه يحتوي على نظام ساعة غير مؤمن (بحيث يمكنك رفع تردد التشغيل بسهولة)، ويشير T إلى انخفاض الطاقة. هذه مجرد وحدات معالجة مركزية لسطح المكتب - بعضها سينتهي به المطاف على أنه Xeons، أو معالجات تستهدف السوق الاحترافي، في شكل محطات عمل أو خوادم صغيرة.

إذن، هذا 19 نموذجًا من تصميم واحد فقط - كيف ولماذا تتحول شريحة واحدة إلى العديد من الأنواع المختلفة؟

إنه عالم غير كامل
على الرغم من أن مصانع تصنيع الرقائق لا تصدق، إلا أنها لا هي ولا التكنولوجيا والمواد المستخدمة مثالية بنسبة 100%. سيكون هناك دائمًا بعض الذرات النانوية من المخلفات، إما داخل النبات أو في أعماق السيليكون الخام والمعادن المستخدمة. بغض النظر عن مدى صعوبة المحاولة، لا يمكن للمصنعين جعلها نظيفة ونقية تمامًا.

وعندما تحاول تكوين مكونات صغيرة جدًا، بحيث تتيح لك المجاهر الإلكترونية عالية الطاقة فقط رؤيتها، فلا شيء يتصرف تمامًا كما ينبغي أن يفعل. في عالم النانومتر، يصبح السلوك الكمومي أكثر وضوحًا، وتبذل العشوائية والضوضاء ومواطن الخلل الأخرى قصارى جهدها لإفساد لعبة رقاقة جينغا الدقيقة. تتآمر كل هذه المشكلات ضد صانعي المعالجات، ويتم تصنيف النتائج النهائية على أنها عيوب.

ليست كل العيوب خطيرة - فقد تتسبب فقط في تشغيل قسم معين من الشريحة بشكل أكثر سخونة مما ينبغي، ولكن إذا كان سيئًا حقًا، فقد يكون القسم بأكمله غير مهم تمامًا. أول شيء يفعله المصنعون هو مسح الرقائق للبحث عن العيوب في المقام الأول.

 مقارنة الصور مقابل طرق تشتت الضوء لاكتشاف العيوب : شركة Hitachi للتكنولوجيا الفائقة

يتم استخدام الآلات المخصصة لاكتشاف هذه المشكلات بعد تصنيع الرقاقة، ولكن قبل تقطيعها إلى شرائح فردية. يتم تمييز القوالب أو الرقائق الكاملة التي تظهر على أنها بها مشاكل، بحيث يمكن وضعها جانبًا لمزيد من الفحص.

ولكن حتى هذه الخطوات لن تصطدم بكل عيب أو خلل طفيف، لذلك بعد قطع قطع السيليكون من الرقاقة وتثبيتها على عبواتها، تنفجر كل واحدة منها لإجراء مزيد من الاختبارات.
 
عندما تجلس Intel وآخرون للتحقق من جودة معالجاتهم، فإنهم يقومون بإعداد الشرائح للعمل بجهد محدد وبسرعة ساعة معينة ؛ بينما يمر القالب بمجموعة من المعايير المصممة للتأكيد على جميع الأقسام المختلفة، يتم قياس كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة والحرارة المنتجة بعناية.

ما سيجدونه هو أن بعض الرقائق تعمل بالضبط بالشكل المطلوب، في حين أن البعض الآخر أفضل أو أسوأ.

قد تحتاج بعض الرقائق إلى جهد أعلى حتى تكون مستقرة تمامًا، وقد ينتج عن الأجزاء الداخلية للرقائق الأخرى قدر كبير من الحرارة، ومن المحتمل ألا يصل بعضها ببساطة إلى المعايير المطلوبة بالتوقف التام.
تجميع المعالجات قبل الاختبار والفحص النهائيين
 
يتم إجراء استكشافات مماثلة للمعالجات التي تم تحديد عيوبها، ولكن قبل تنفيذ ذلك، يتم إجراء فحوصات إضافية لمعرفة أقسام الشريحة التي لا تزال تعمل وما هي البتات الخردة.

والنتيجة النهائية لذلك هي أن الناتج المفيد من الرقاقة، الذي يُطلق عليه محصولها، يولد مجموعة من القوالب يمكن تصنيفها على أساس أجزائها العاملة، وترددات الساعة المستقرة، والجهد المطلوب، وخرج الحرارة. ما اسم إجراء الفرز هذا؟ رقاقة binning.

لا يتم إلقاء أي قوالب في الواقع في صناديق بلاستيكية كبيرة - تأتي العبارة من الإحصائيات، حيث يمكن تنظيم توزيع الأرقام في مجموعات تسمى الصناديق. على سبيل المثال، قد تستخدم المسوحات السكانية حول التوزيع العمري الصناديق من 0 إلى 5 سنوات، و 6 إلى 10، و 11 إلى 16، وهكذا.

يتم فعل الشيء نفسه بالنسبة للرقائق، وفي حالة مثالنا i9-10900K، فإن بعض الصناديق ستكون لعدد من النوى العاملة، ونطاق تردد الساعة الذي تكون فيه وحدة المعالجة المركزية مستقرة، وإخراج الحرارة في ساعة معينة.
دعنا نتخيل أن شريحة Core i9-10900 تم اختبارها بدقة ووجد أنها تحتوي على عيوب خطيرة، كما هو موضح أعلاه. تضرر اثنان من النوى ووحدة معالجة الرسومات إلى مستوى لا يمكنهما فيهما العمل بشكل صحيح.

ستقوم Intel بعد ذلك بتعطيل أقسام kaput وتضع علامة عليها باعتبارها شريحة لمجموعة Core i7-10700، وتحديداً طراز F. ولكن بعد ذلك يجب اختباره لمعرفة سرعات الساعة وقوتها واستقرارها. إذا وصلت الشريحة إلى الأهداف المطلوبة، فستظل بمثابة i7، ولكن إذا لم تتمكن من الوصول إلى هذه الأهداف تمامًا، فيمكن تعطيل نواتين أخريين واستخدام القالب الأساسي لنموذج Core i5 بدلاً من ذلك.

كل الأشياء التي تم أخذها في الاعتبار، فإن تجميع الرقائق بشكل كبير يحسن عائد الرقاقة لأنه يعني أنه يمكن استخدام المزيد من القوالب وبيعها.

في حالة النطاق العاشر من معالجات Core، كان لدى Intel تصميم رقاقة منفصل لنطاقات Core i5 و i3 و Pentium / Celeron. تبدأ هذه في شكل 6 شرائح أساسية ثم يتم تجميعها في عرضين أساسيين.

غالبًا ما يتجاوز الطلب على المنتج القدرة على الإنتاج، ولهذا السبب تُستخدم رقائق الويفر العشر للمساعدة في ملء الطلبات. في بعض الأحيان، يتم إيقاف تشغيل أقسام القوالب الوظيفية بشكل مثالي، فقط لضمان وجود ناتج كافٍ من المصانع. هذا يعني أنها لعبة يانصيب السيليكون لما ستحصل عليه بالفعل، عند شراء نموذج معين.

كل الأشياء التي تم أخذها في الاعتبار، فإن تجميع الرقائق بشكل كبير يحسن عائد الرقاقة لأنه يعني أنه يمكن استخدام المزيد من القوالب وبيعها. بدونها، ستمتلئ صناديق القمامة الفعلية الخاصة بشركة إنتل بخردة السيليكون.

أليست وحدات المعالجة المركزية المهملة خاصة؟
مثل العديد من المصطلحات في الحوسبة، أصبح تجميع الشرائح مرادفًا لشيء آخر غير معناه الأصلي. تبيع المتاجر عبر الإنترنت أحيانًا وحدات معالجة مركزية خاصة منتقاة يدويًا (تلك التي تزيد سرعتها إلى مستوى مجنون أو تعمل بشكل أكثر برودة من سطح بلوتو) على أنها "وحدات معالجة مركزية مجمعة". الحقيقة هي أن جميع الرقائق تم إهمالها، لمجرد أنها يجب أن تكون كذلك.

بالطبع، ليس هناك ما يمنع بائع التجزئة من التخلص من الرقائق التي يشترونها: وحدات المعالجة المركزية المهملة، أي شخص؟

يجب شراء معالجات AMD و Intel بكميات كبيرة (صواني تحتوي على عشرات، إن لم يكن المئات، من الرقائق)، ويمكنك الجلوس مع كمبيوتر اختبار والتحقق من كل منها - زيادة تردد التشغيل أو تقويضها، وتسجيل درجات الحرارة، و هكذا. يمكن بعد ذلك بيع أفضل الدُفعة على أنها خاصة، ويمكن لبائع التجزئة تصنيفها بحق على أنها "وحدات معالجة مركزية مجمعة". بطبيعة الحال، كل هذا الاختبار الإضافي يكلف الوقت والجهد، لذلك يتم زيادة سعر التجزئة للمنتج ليعكس ذلك.

هل هذه الرقائق المزعومة مميزة جدًا بطريقة ما؟ نعم و لا. لقد مرت كل شريحة مفردة مستخدمة في جهاز الكمبيوتر والهاتف والسيارة وما إلى ذلك بنوع من عملية الاختيار. إنها مجرد مرحلة أخرى في تصنيع جميع المعالجات الدقيقة وشرائح DRAM. هذا يعني أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو وحدة معالجة الرسومات (GPU) المحبوبة لديك والتي تعمل بشكل رائع أو فيركلوك بشكل مدهش مثل الجنون هي مجرد موت آخر، من واحدة من مئات الآلاف من الرقاقات التي تنتجها المصانع حول العالم.