為什麼處理器型號越來越多,超頻也越來越難?

Mondo 社會 更新 2024-02-01

數字農曆新年挑戰 對於老款 Diyer 來說,可能是當年的經典超頻產品,比如第一代賽揚 300A、大名鼎鼎的“Tualina”......然而,對於新的PC愛好者來說,超頻不僅越來越難,而且處理器型號也越來越多,為什麼呢?

於是,資深DIYER會把目前的情況稱為“灰燼”,認為從CPU到GPU,這種越來越難以超頻的現象,是因為晶元開始“出廠即灰燼”,沒有被挖掘的潛力,而得到乙個“體質”好的普通版晶元的幾率幾乎和中彩票一樣?

究其原因,來自晶圓——所有晶元都來自不同尺寸和製造工藝的半導體“圓盤”,過去創造了晶元的奇蹟,也造成了現在的突破困境。

半導體晶圓是電子設計和製造的基礎。 這些薄的圓盤狀基板不僅是元件,而且是用於展開半導體製造的畫布。 雖然半導體晶圓的材料大致分為矽、砷化鎵、碳化矽和磷化銦四大類,但矽原料主要用於製造各種處理器晶元。

矽片由高純度的單晶矽材料製成。 高純矽單晶半導體的圓柱形錠是通過從熔體中提取晶種晶體製成的。 作為供體的雜質原子被精確地新增到熔融的本徵材料中,以確保晶體的摻雜,從而將半導體轉化為n型或p型半導體。 然後將錠切成薄片以形成晶圓。

然後,根據晶元的設計,通過光刻成像刻蝕和分割,在一塊不同尺寸的高質量晶圓上形成晶元或晶元芯。

接下來,機器切割晶元區域,組裝它(根據架構插入其他半導體元件,例如快取),將其安裝在 PCB 上,然後封裝外殼以形成成品處理器。

英特爾第 9 代酷睿處理器的一件 118 英吋(300 公釐)晶圓。

為了從晶圓上去除CPU GPU核心元件,需要使用金剛石鋸將半導體晶圓切成薄片,但由於晶圓邊緣的切割不完整,一定比例的晶圓將被完全報廢。 5%到25%的晶圓被扔掉了——確切的數字很大程度上取決於晶元核心晶圓的尺寸。

在晶圓生產的早期階段,每片晶圓的製造成本為數千美元,從鑄錠到產品的整個製造過程從開始到結束可能需要數月時間。 從這些晶圓中可以去除多少晶元對於主要公司(例如英特爾和AMD)和代工廠(例如三星,台積電)收回製造成本至關重要。

在生產過程中,由於晶元設計中電晶體的數量不斷增加,如果要在相同尺寸的晶圓盤片上生產更多的處理器,就必須減少整個晶圓面積,並提高效能。 收縮的原理對每個人來說都是一樣的——盡可能減小單個電晶體的尺寸。 目前主流工藝已經是5nm,即每個電晶體的寬度為5nm。

對於這麼小的電晶體來說,加工蝕刻必須依靠極高精度的光刻機,這是一筆巨大的固定成本。 此外,光刻機不能保證完全的準確性和錯誤。 這些誤差可能導致同一晶圓不同部件的元件加工精度和質量存在差異——微小的差異可能導致巨大的效能差異。

而晶圓基體本身也會帶來差異:矽原料和金屬深處總會有一些奈米級雜質。 無論製造商如何努力,它都不可能完全乾淨和純淨。 原材料的質量千差萬別,即使是最精確的光刻機也無法實現完全一致。

在奈米級世界中,量子行為變得更加明顯,隨機性、雜訊和其他小故障盡最大努力破壞微妙的晶元遊戲。 所有這些問題都對處理器製造商不利,最終結果被歸類為晶元缺陷。

在晶圓切塊之前,製造商通過上圖中的幾種測試方法進行“全面檢查”和標記。

並不是所有被掃瞄的晶元都是壞的,它們可能只是導致晶元的某個部分執行過熱,但如果真的很嚴重,那麼整個晶圓就會完全報廢。

一旦晶圓從晶圓上切割並安裝在封裝上,每個晶元都會經過更多的測試。 在檢查處理器質量時,將晶元設定為以設定的電壓和一定的時鐘速度執行; 該晶元經過一系列基準測試,旨在對所有不同的部件施加壓力,同時仔細測量消耗的功率和產生的熱量。 有些晶元完全按照要求工作,而另一些則更好或更差。

在發現缺陷的處理器上執行類似的檢查,但在此之前,會進行額外的檢查,以檢視晶元的哪些部分仍在工作以及哪些位已報廢。

這樣做的最終結果是晶圓的有用的輸出(稱為產量)。產生一系列“模具”,可以根據其功能部件的有效性、可達到的穩定時鐘頻率、所需的電壓和產生的熱量進行分類。 這稱為晶元分揀。

在包裝前對發現有缺陷的晶元進行類似的檢查,以確定它們是真正的廢料還是可以回收。

讓我們假設對酷睿i9-13900K晶元的全面測試揭示了上述幾個關鍵缺陷。 這些核心和整合顯示卡中有一定數量已損壞,以至於它們無法正常工作。 此時,它將被禁用"卡住了"部分並將其標記為酷睿 i5-13400F 系列晶元。 然後測試時鐘速度、功耗和穩定性。 如果晶元達到要求的目標,它將繼續用作 i5 非“kf”晶元。

下乙個封裝是根據 13400F 的規格將其連線到不同容量的外圍元件:較低容量的 SRAM 快取、較少數量的高速匯流排通道和其他......完成最終測試和包裝。

總之,劃分的等級越多,矽片利用率越高,整體成本越低!

所以,事實上,你的 13700 可能和你朋友的 13100 是在同一晶圓上生產的!

在各個方面,都可以大大提高晶元分選處理器因為這意味著更多的晶元可以被利用和銷售。 沒有這種技術,鑄造它將充滿廢晶圓,您獲得的處理器可能比現在貴三到五倍!

因此,處理器越來越難以超越,一方面,它不僅反映了摩爾定律在半導體行業日益增長的侷限性,另一方面也為更多廉價的普通晶元進入市場,為大眾提供更便宜的產品提供了流量條件!

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