לא כל השבבים נולדו שווים

אז לא, אינטל לא מחזיקה צוותי פיתוח שונים לכל אחד מתתי הקטגוריות של המעבדים שלה ובטח שלא לתת-תתי הקטגוריות. אינטל מפתחת ליבה יחידה המשובצת במוצרים רבים (ליתר דיוק, בשנים האחרונות 2 ליבות – אחת לביצועים ואחת ליעילות). ובכל זאת, אינטל מוכרת במחירים שונים את כל תתי הקטגוריות הללו. למרבה ההפתעה הסיבה המרכזית לכך לא נמצאת כלל בתהליך הפיתוח, אלא דווקא בתהליך הייצור.

השונות שבייצור

תהליך ייצור השבבים הוא תהליך ארוך, מורכב ויקר מאוד. בתוך תהליך כזה, המבוצע בתוך החדרים הנקיים בעולם שמא אבק או לכלוך יפגמו בחתיכות הסיליקון הרגישות, יש המון שלבים אשר צריכים לעבור בהצלחה על מנת שכל חתיכת סיליקון קטנה שעתידה לתפקד כמעבד אכן תתפקד ככזה ותגיע ללקוח.
בתהליך כ"כ ארוך ומסובך, ייתכן (בטוח) שלא כל החתיכות הסופיות יהיו זהות אחת לשנייה, במילים אחרות, קיימת שונות (וריאציה) בין החתיכות. יהיו חתיכות (נקרא גם dies) טובים יותר, ו-dies טובות פחות ו-dies ממש ממש גרועים. עלינו לברור מתוכם את אלו שעומדים בדרישות ומסוגלים לעמוד למכירה.

בתמונה – מסכה המשמשת לייצור בשיטת פוטוליתוגרפיה. לכל שכבת יש מסכה כזו כאשר בתהליכים מודרניים מספר השכבות עשוי להגיע ליותר מ70.  מקור – ויקיפדיה.

DFT – Design For Test

על הבעיה הזו חושבים כבר בתהליך הפיתוח כאשר צוותי פיתוח שלמים מוקדשים רק להכנסה של חלקים שלמים בצ'יפ המיועדים בשביל בדיקת החתיכות בשלב הייצור. צוותים אלו, צוותי ה-DFT (Design For Test) מכינים דיזיין המוטמע באופן כזה שלא יפריע לפעילות הפונקציונלית של השבב ויאפשר למדוד אותה – לאתר פגמים בייצור ולוודא שאכן הכל עובד כצפוי ובמהירויות אליהם ציפינו.
המשמעות כאן היא שלצורך כך תהליך הפיתוח הופך מסובך יותר – הלוגיקה של הDFT תופסת שטח יקר ערך על גבי השבב שיכול היה להיות מנוצל לפיצ'רים פונקציונליים והעלאת הביצועים וכן מאריכה את זמן הפיתוח בשל קשיים שהיא יוצרת. כל אלו מעידים על הקריטיות של ה-DFT בתהליך הכולל של פיתוח השבבים משולחן השרטוטים ועד הלקוח.
לגבי איך בדיוק עושים את זה, נכתוב בפעם אחרת.

בתמונה – אילוסטרציה של וייפר ועל גביו דפקטים והdies שהושפעו מהם. אחוז הdies הירוקים מתוך כלל הdies שיוצרו בוייפר נקרא Yield. אם למישהו זה נראה מוכר, זה לא במקרה, זה בדיוק הלוגו של TSMC. מקור – WikiChip.

תהליך ה Assembly & Test

לאחר שיצאנו לייצור (בד"כ בשלב הזה, הנקרא גם טייפ-אאוט ועשוי לקחת אפילו מעל שנתיים, יפתחו צוותי הפיתוח שמפניות) תושלם חריטת המסיכות ויחל תהליך הפוטוליתוגרפיה. אט אט יתחילו לטפטף הסטטיסטיקות לגבי כמה חתיכות טובות יש, כמה פחות, וכמה ממש גרועות. הסטטיסטיקה הזו נקראת Yield והיא תוצר של תהליך הייצור בו בחרנו והאופן שבו הדיזיין שלנו בנוי.

התהליך שתיארתי כאן בקצרה מורכב בהרבה במציאות, ונעשים בו מאמצים רבים כדי לחסוך אריזה של חתיכות שיצאו לא טובות. יחד עם זאת, נבחר לא להתמקד בנושא זה כרגע.
השבבים נבדקים במכונות מיוחדות וממוינים לפי סוגי הדפקטים השונים שיש בהם

בתמונה – טסטר מתחבר לצ'יפים על גבי וייפר, עוד לפני האריזה כדי להריץ עליהם בדיקות ולמיין.

אז אילו דפקטים יכולים להיות לנו בסיליקון ואיך זה משפיע על התפקוד של הצ'יפ?

דפקטים יכולים להיות ממספר סוגים, החל מערך לוגי תקוע ועד מהירות איטית מידי ואי עמידה בתנאי טיימינג. לרוב חברות מתכוננות לאירועים כאלה ע"י ריבוי של חלקים איפה שאפשר (גם אם לבסוף לא יבוצע בהם שימוש) – לדוגמה, הגדלה של מספר ליבות העיבוד בצ'יפ כך שאם בחלק מהם יש דפקט והם אינם מתפקדים, עדיין נוכל למכור את הצ'יפ עם אותו מספר הליבות המתוכנן.

תהליך ה-Binning

אוקיי, אז יצאנו לטייפאאוט, ייצרנו את הצ'יפים, אבל חלק מהם, למשל, ממש איטיים. מה אפשר לעשות?
כאן נכנס למשחק עניין ה-Binning –  דמיינו שאתם אופים והכנתם עוגיות בצורה של דינוזאור, אבל אחרי שהוצאת אותם מהתנור עם כל הריח וההתרגשות נשברו לחלק מהם הרגליים והזנב. מה תעשו? תזרקו? אלו עוגיות מעולות ויהיו הרבה אנשים שישמחו לאכול אותם. אם אתם מתכננים למכור אותם, אולי תמיינו לחבילות של עוגיות טובות וחבילות של עוגיות פגומות ותנסו למצוא קונים לשני הסוגים, כאשר העוגיות הפגומות יהיו במחיר נמוך יותר. אז את אותו הדבר עושים גם בייצור שבבים.
אם צ'יפ אחד איטי יותר, אז נוכל להוריד את התדר שלו ולמכור אותו בזול יותר. אם בצ'יפ אחר יש דפקט על אחד הזכרונות, נוכל למכור אותו עם פחות זיכרון מטמון (cache), אם אחת הליבות הרוסה, אז אולי נמכור את הצ'יפ עם פחות ליבות וביותר זול.
באופן זה, הגדלנו משמעותית את ה-Yield שלנו – זאת אומרת, אחוז הצ'יפים הטובים למכירה כעת גדול בהרבה ממש שהיה אילו היינו מוכרים רק את הצ'יפים הטובים ביותר.

זה בדיוק מה שעושה אינטל עם גרסאות הi3/i5/i7/i9 שלה.
כלומר, אינטל מפתחת צ'יפ יחיד ומוציאה אותו לייצור, את הצ'יפים עם הבעיות (לדוגמה, בעיה בזיכרון L3) היא מוכרת כצ'יפ עם פחות זיכרון. צ'יפים איטיים יותר? אין בעיה. מורידים את התדר וכך בעצם היא ממיינת אותם לפי הביצועים למיכלים, bins, ומוכרת כל אחד לפי הקטגוריה שלו.

לעיתים, אפילו יש תתי-תתי קטגוריות (נקרא גם thin bin) שנמכרים ללקוחות מיוחדים המעוניינים בביצועים אפילו טובים יותר.

בתמונה – תדרים ומספרי ליבות של מעבדי הדסקטופ של אינטל מסדרת דור 14. ניתן לראות בירידה בתדר ככל שנרד במספר תת הקטגוריה. מקור – אינטל.

לזכות בלוטו של הסיליקון

לפעמים חברות יזהו ביקוש גבוה יותר לאחד הbins שלהם. לדוגמה, ייתכן ולi7 יהיה ביקוש גבוה יותר מלi9. במצב כזה, ייתכן והחברה תאלץ להסיט חלק מהצ'יפים שבפועל עומדים בדרישות להיות i9 אל המלאי של i7 וכן הם יימכרו במחיר המתאים לi7.
אם אתם ברי מזל מספיק כדי לרכוש חתיכה כזו, ייתכן ותוכלו לחלוב קצת יותר ביצועים מתוך המעבד שלכם – אם אתם חושבים על מה שאני חושב, אז אני חושב על over-clocking.
כלומר, נוכל להגביר את תדר השעון ולהנות מביצועים מוגברים בחינם. עם זאת, אם הbin הרלוונטי מבטל חלקים שלמים (לדוגמה ליבות או זיכרונות) הם עדיין יהיו כבויים ולא נוכל לעשות בהם שימוש.

לסיכום

תהליך  ה-Binning באופן כללי וזה של אינטל בפרט חושף את האמת המעניינת מאחורי הקטלוג הרחב של המעבדים: חברה אחת, דיזיין אחד, אבל עשרות מוצרים שונים. במקום לזרוק צ'יפים שלא עמדו במלוא הדרישות המקוריות, אינטל ממיינת אותם בחוכמה לקטגוריות שונות - צ'יפים איטיים יותר הופכים ל-i3, אלו עם ליבות פגומות נמכרים עם פחות ליבות, ואלו עם בעיות בזיכרון מוצעים עם פחות cache. התוצאה? מיקסום של ה-Yield, מחירים מגוונים לכל כיס, ולפעמים אפילו הזדמנות לקונים ברי מזל לקבל ביצועים טובים יותר מהצפוי. זה בדיוק כמו למכור עוגיות דינוזאור עם רגל שבורה - הטעם עדיין מעולה, רק המחיר נמוך יותר.