Vous venez d'acheter un nouveau processeur ou une nouvelle carte graphique et vous l'avez lancé sur votre PC. Il semble fonctionner assez cool, alors essayez un peu d'overclocking. Le GHz monte de plus en plus et il semble que vous ayez quelque chose de spécial. Ce n'est sûrement pas censé être comme ça?
Alors vous vous précipitez sur Internet pour partager votre enthousiasme de toucher le jackpot en silicium, et en quelques messages, quelqu'un proclame que vous avez vous-même une puce de poubelle.
Maintenant, si vous imaginez un ingénieur fouillant dans une poubelle et sortant fièrement un ticket en or, alors vous devez vraiment lire cet explicateur! Bienvenue dans le monde magique de la fabrication de processeurs et du binning de puces.
Des galettes à tomber par terre
Toutes les puces sont constituées de disques de silicium ultra-pur, en couches de métaux, d'isolants et de matériaux semi-conducteurs, qu'il s'agisse d'un processeur standard, d'un processeur graphique spécialisé ou d'une DRAM pour devenir la mémoire système. L'ensemble du processus est extrêmement complexe et les usines de fabrication nécessaires pour construire les dernières puces en énormes volumes coûtent des milliards de dollars.
Ces disques sont appelés gaufrettes et les goûts d'Intel, de GlobalFoundries et de TSMC en produisent des millions chaque année. Des outils de la plus haute qualité sont nécessaires pour garantir que le produit final correspond aux plans ultra-précis des ingénieurs qui ont conçu les puces.
Pour que tout reste aussi proche de la perfection que possible, les zones de production des usines sont légèrement sous pression pour empêcher les bactéries en suspension dans l'air et les particules de poussière de pénétrer dans les pièces. Les travailleurs portent un équipement de protection pour s'assurer que peu de cellules de leur peau et de leurs cheveux peuvent pénétrer dans la machine.
Une plaquette finie est une chose de beauté et incroyablement précieuse aussi. Chacun coûte des milliers de dollars à fabriquer, et l'ensemble du processus de fabrication – du lingot de silicium au produit – prend des mois du début à la fin. Chaque puce (également appelée mourir) qui peut être extrait du disque et vendu est vital pour récupérer l'argent dépensé pour les fabriquer.
Pour les retirer, la tranche est découpée à l'aide d'une scie à diamant, mais un pourcentage raisonnable est totalement mis au rebut, car les copeaux le long du bord ne sont tout simplement pas complets. N'importe où de 5 à 25% de la plaquette (le montant dépend beaucoup de la taille de la puce) sera jeté.
Le reste est ensuite monté sur un boîtier de circuit imprimé et éventuellement recouvert d'un dissipateur de chaleur, pour finalement devenir le CPU que nous connaissons tous.
(In) égalité fondamentale
Jetons un coup d'œil au dernier processeur d'Intel dans leur famille de modèles Core – le plus puissant est le Core i9-10900K, qui dispose de 10 cœurs et d'un GPU intégré.
La photo ci-dessous montre comment nous connaissons et voyons généralement ces composants PC, mais si nous pouvions retirer le dissipateur de chaleur et utiliser une batterie d'outils pour plonger dans les entrailles de la puce, cela aurait l'air très différent.
Le CPU réel est un paysage urbain de blocs logiques, de stockage SRAM, d'interfaces et de bus de communication – dans une seule puce, il y a des milliards de composants électroniques individuels, tous fonctionnant en harmonie synchronisée.
Cette image étiquetée met en évidence certains des domaines clés – à l'extrême gauche se trouve le système d'E / S, contenant la mémoire DDR4-SDRAM, PCI Express et les contrôleurs d'affichage. Le système gère également l'anneau de communication pour tous les cœurs. Juste au-dessus de la section d'E / S se trouve l'interface de la mémoire système et de l'autre côté de la puce, on peut voir la puce graphique intégrée, le GPU. Peu importe le processeur Intel Core que vous obtenez, ces 3 parties seront toutes présentes.
Les cœurs de processeur sont coincés entre tous ces éléments. Chacun est une copie conforme de l'autre, plein d'unités pour analyser les nombres, déplacer les données et prédire les instructions futures. De chaque côté d'un cœur se trouvent deux bandes de cache de niveau 3 (les niveaux inférieurs sont profondément à l'intérieur du cœur), chacune offrant 1 Mo de stockage à haute vitesse.
Vous pourriez penser qu'Intel fabrique une nouvelle plaquette pour chaque CPU vendu, mais un seul disque 'i9-10900' produira des puces qui peuvent potentiellement se retrouver dans l'un des modèles suivants:
| Modèle | # Cœurs | # Threads | Horloge de base | Tous les Core Turbo | Turbo | Cache L3 total | PL1 TDP |
| i9-10900K | dix | 20 | 3.7 | 4.8 | 5.1 | 20 | 125 |
| i9-10900KF | dix | 20 | 3.7 | 4.8 | 5.1 | 20 | 125 |
| i9-10900 | dix | 20 | 2.8 | 4.5 | 5,0 | 20 | 65 |
| i9-10900F | dix | 20 | 2.8 | 4.5 | 5,0 | 20 | 65 |
| i9-10900T | dix | 20 | 1,9 | 3.7 | 4.5 | 20 | 35 |
| i7-10700K | 8 | 16 | 3.8 | 4.7 | 5,0 | 16 | 125 |
| i7-10700KF | 8 | 16 | 3.8 | 4.7 | 5,0 | 16 | 125 |
| i7-10700 | 8 | 16 | 2.9 | 4.6 | 7.7 | 16 | 65 |
| i7-10700F | 8 | 16 | 2.9 | 4.6 | 4.7 | 16 | 65 |
| i7-10700T | 8 | 16 | 2.0 | 3.7 | 4.4 | 16 | 35 |
| i5-10600K | 6 | 12 | 4.1 | 4.5 | 4.8 | 12 | 125 |
| i5-10600K | 6 | 12 | 4.1 | 4.5 | 4.8 | 12 | 125 |
| i5-10600 | 6 | 12 | 3.3 | 4.4 | 4.8 | 12 | 65 |
| i5-10600T | 6 | 12 | 2.4 | 3.7 | 4,0 | 12 | 35 |
| i5-10500 | 6 | 12 | 3.1 | 4.2 | 4.5 | 12 | 65 |
| i5-10500T | 6 | 12 | 2.3 | 3,5 | 3.8 | 12 | 35 |
| i5-10400 | 6 | 12 | 2.9 | 4,0 | 4.3 | 12 | 65 |
| i5-10400F | 6 | 12 | 2.9 | 4,0 | 4.3 | 12 | 65 |
| i5-10400T | 6 | 12 | 2.0 | 3.2 | 3.6 | 12 | 35 |
L'horloge de base, mesurée en GHz, est la fréquence garantie la plus basse à laquelle la puce fonctionnera, quelle que soit la charge sous laquelle elle se trouve. Le «All Core Turbo» est la fréquence maximale à laquelle tous les cœurs peuvent fonctionner ensemble, mais pas nécessairement à très longtemps. C'est une chose similaire pour «Turbo Boost», sauf qu'il ne s'agit que de 2 cœurs.
PL1 TDP signifie Niveau de puissance 1 – Puissance de conception thermique. C'est la quantité de chaleur que le CPU va créer en fonctionnant à son horloge de base sous n'importe quelle charge. Cela peut créer beaucoup plus que cela, mais cela limitera les vitesses auxquelles la puce fonctionnera et lorsqu'elle sera connectée à une carte mère, leurs concepteurs peuvent limiter la quantité d'énergie que la puce peut absorber, pour éviter cela.
Les modèles dont les codes se terminent par un F ont un GPU désactivé; K indique qu'il a un système d'horloge déverrouillé (vous pouvez donc facilement l'overclocker), et T indique une faible puissance. Ce ne sont que des CPU de bureau – certains finiront comme des Xeons, des processeurs destinés au marché professionnel, sous forme de postes de travail ou de petits serveurs.
Il s'agit donc de 19 modèles d'une seule conception – comment et pourquoi une seule puce finit-elle par devenir autant de types différents?
C'est un monde imparfait
Aussi incroyables que soient les usines de fabrication de puces, ni elles, ni la technologie et les matériaux utilisés ne sont parfaits à 100%. Il y aura toujours des résidus de détritus à l'échelle nanométrique, soit à l'intérieur de l'usine, soit au plus profond du silicium brut et des métaux utilisés. Peu importe leurs efforts, les fabricants ne peuvent pas les rendre totalement propres et purs.
Et lorsque vous essayez de créer des composants si petits que seuls les microscopes électroniques à haute puissance vous permettent de les voir, rien ne se comporte exactement comme il se doit. Dans le monde nanométrique, le comportement quantique devient beaucoup plus visible et l'aléatoire, le bruit et d'autres problèmes font de leur mieux pour perturber le jeu délicat de la puce-Jenga. Tous ces problèmes complotent contre les fabricants de processeurs, et les résultats finaux sont classés comme défauts.
Tous les défauts ne sont pas graves – ils peuvent simplement provoquer une section spécifique de la puce plus chaude qu'elle ne le devrait, mais si elle est vraiment mauvaise, une section entière peut être complètement indésirable. La première chose que les fabricants font est de scanner les plaquettes pour rechercher les défauts en premier lieu.
Les machines dédiées à la recherche de ces problèmes sont utilisées après la fabrication d'une plaquette, mais avant qu'elle ne soit découpée en puces individuelles. Les matrices ou plaquettes entières qui présentent des problèmes sont signalées, de sorte qu'elles peuvent être mises de côté pour un examen plus approfondi.
Mais même ces étapes ne vont pas attraper tous les défauts mineurs et les pépins, donc après que les morceaux de silicium sont coupés de la plaquette et montés sur leurs emballages, chacun d'eux part pour encore plus de tests.
Les poubelles ne stockent pas toutes les ordures
Lorsque Intel et d'autres s'assoient pour vérifier la qualité de leurs processeurs, ils configurent les puces pour fonctionner avec une tension définie et à une certaine vitesse d'horloge; tandis que la matrice passe par une série de repères, conçus pour souligner toutes les différentes sections, la quantité d'énergie électrique consommée et la chaleur produite sont soigneusement mesurées.
Ce qu'ils trouveront, c'est que certaines puces fonctionnent exactement comme requis, tandis que d'autres sont meilleures ou pires.
Certaines puces peuvent avoir besoin d'une tension plus élevée pour être entièrement stables, l'intérieur d'autres puces peut produire trop de chaleur et certaines n'atteindront tout simplement pas les normes requises.
Des explorations similaires sont effectuées pour les processeurs identifiés comme présentant des défauts, mais avant cela, des vérifications supplémentaires sont effectuées pour voir quelles sections de la puce fonctionnent toujours et quels bits sont mis au rebut.
Le résultat final de ceci est que la sortie utile d'une plaquette, appelée son rendement, génère une gamme de matrices qui peuvent être classées en fonction de leurs pièces fonctionnelles, des fréquences d'horloge stables, de la tension requise et de la puissance thermique. Le nom de cette procédure de tri? Regroupement de puces.
Aucun moule n'est réellement jeté dans de grands bacs en plastique – l'expression vient des statistiques, où une répartition des nombres peut être organisée en groupes appelés bacs. Par exemple, les enquêtes de population sur la répartition par âge peuvent utiliser les bacs de 0 à 5 ans, de 6 à 10 ans, de 11 à 16 ans, etc.
La même chose est faite pour les plaquettes, et dans le cas de notre exemple i9-10900K, certains des bacs seraient pour le nombre de cœurs de travail, la plage de fréquence d'horloge dans laquelle le CPU est stable et la production de chaleur à une certaine horloge.
Imaginons qu'une puce Core i9-10900 soit soigneusement testée et se révèle présenter quelques défauts graves, comme indiqué ci-dessus. Deux des cœurs et le GPU sont endommagés à un niveau où ils ne peuvent tout simplement pas fonctionner correctement.
Intel désactiverait alors les sections kaput et le marquerait comme étant une puce pour la gamme Core i7-10700, en particulier un modèle F. Mais il doit ensuite être testé pour les fréquences d'horloge, la puissance et la stabilité. Si la puce atteignait les cibles requises, elle resterait un i7, mais si elle ne pouvait pas tout à fait atteindre ces cibles, 2 autres cœurs pourraient être désactivés et le dé utilisé à la place pour un modèle Core i5.
Tout bien considéré, le binning des puces améliore considérablement le rendement d'une plaquette car cela signifie que davantage de matrices peuvent être utilisées et vendues.
Dans le cas de la gamme de processeurs Core de 10e génération, Intel a une conception de plaquette distincte pour les gammes Core i5, i3 et Pentium / Celeron. Celles-ci commencent comme 6 puces de base, puis sont regroupées en 2 offres de base.
La demande de produits peut souvent dépasser la capacité de production, d'où la raison pour laquelle les 10 plaquettes centrales sont utilisées pour aider à remplir les commandes. Parfois, les matrices parfaitement fonctionnelles ont des sections désactivées, juste pour s'assurer qu'il y a suffisamment de sortie des usines. Cela signifie que c'est un jeu de loterie au silicium quant à la matrice que vous obtenez réellement, lors de l'achat d'un modèle particulier.
Tout bien considéré, le binning des puces améliore considérablement le rendement d'une plaquette car cela signifie que davantage de matrices peuvent être utilisées et vendues. Sans cela, les poubelles d'Intel débordent de déchets de silicium.
Les processeurs groupés ne sont-ils pas spéciaux?
Comme tant de termes en informatique, le binning de puces est devenu synonyme d'autre chose que sa signification d'origine. Les magasins en ligne vendent parfois des processeurs spéciaux triés sur le volet (ceux qui se superposent à un niveau insensé ou fonctionnent plus froid que la surface de Pluton) en tant que « processeurs groupés ''. La réalité est tout les puces sont rangées, simplement parce qu'elles doivent l'être.
Bien sûr, rien n'empêche un détaillant de regrouper les jetons qu'il achète: processeurs groupés-groupés, n'importe qui?
Les processeurs AMD et Intel doivent être achetés en vrac (plateaux qui contiennent des dizaines, voire des centaines, de puces), et vous pouvez vous asseoir avec un ordinateur de test et vérifier chacun – overclocker ou sous-tension, enregistrer leurs températures, et bientôt. Le meilleur du lot pourrait alors être vendu comme étant spécial, et le détaillant pourrait à juste titre les classer comme des «CPU groupés». Naturellement, tous ces tests supplémentaires coûtent du temps et des efforts, donc le prix de vente du produit est augmenté pour refléter cela.
Ces puces dites «binées» sont-elles extra spéciales d'une manière ou d'une autre? Oui et non. Chaque puce unique utilisée dans votre PC, téléphone, voiture, etc. a toutes été soumises à une sorte de processus de sélection. Ce n'est qu'une nouvelle étape dans la fabrication de tous les microprocesseurs et puces DRAM. Cela signifie que votre CPU ou GPU bien-aimé qui fonctionne étonnamment cool ou overclocker comme un fou n'est qu'un autre dé, provenant de l'une des centaines de milliers de plaquettes, produites par des usines du monde entier.