CPU制造的那些事之一:i7和i5其实是孪生兄弟!?

CPU制造的那些事之一:i7和i5其实是孪生兄弟!?

因为市场和政策原因造成的为部分市场或者国家单独关闭或者打开某种功能,以及单独的SKU,不在本文讨论范围内。本文仅限于作者理解的技术原因和背后的知识。

CPU生产和制造似乎很神秘,技术含量很高。许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了,提高CPU的速度,最重要的一点说白了提高主频并塞入更多的晶体管。由于CPU实在太小,太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,所以人手是绝对不可能完成的,只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。

整个过程十分复杂和繁琐,所幸Intel很早就公布了一段有趣的视频,生动的展示了整个过程,我找到优酷的链接,大家可以看一下:

from sand to silicon (intel CPU 制作) http://v.youku.com/v_show/id_XNDIzOTg4NzY4.html?from=s1.8-1-1.2

整个过程充满科技感。下面我们来揭秘为什么i7,i5和部分i3是一个娘胎里长出来的。为了让读者知道我在说什么,我们先来回顾一下整个CPU制造过程。我们从中可以看到,同一品类i7,i5和部分i3出自同一个wafer线,他们最终分叉在封测阶段后期。

CPU制造过程

  1. 沙子

如果问及CPU的原料是什么,大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假,但硅又来自哪里呢?其实就是那些最不起眼的沙子。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的,一定要精挑细选,从中提取出最最纯净的硅原料才行。

2. 融化提纯

将原料进行高温溶化。整块硅原料必须高度纯净,即单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出,此时一个圆柱体的硅锭就产生了:

在切片后得到元晶圆:

注意这里硅锭尺寸不一,常见的有200mm,300mm直到450mm。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的。我们会在后续文章介绍横截面的大小对于成本的影响。

3. 光刻胶(Photo Resist),溶解光刻胶、蚀刻、离子注入、电镀、铜层生长

这些步骤有很多文章介绍,我就不罗嗦了。这些都做完我们就得到了成品晶圆Wafer,接下来是我们介绍的重点。

4. Wafer测试

用探针基于电气特性的测试。

5. 切片

用精确控制的切片机将一个个小格切开:

终于得到了CPU的核心:Die

6. 封装(Packaging)

到这里所有的步骤都一样的,白牌CPU生产出来了:

值得注意的是这些白牌CPU都是经过基础测试并工作正常的,但这并不代表它们是合格的产品,i7,i5和部分i3的分野也在其后发生。

7. binning

通过测试设备,就是这个小白盒:

是骡子是马该拉出来遛遛了。这个步骤是封测的最后一步,它通过测量电压、频率、散热、性能、cache等等来为该CPU分类。最差当然是废品,其次有很多个SKU,远远不止i3、i5和i7这么粗枝大叶。例如i5还分有很多不同的细类,大家可以看intel的CPU,i5也有很多种,对应不同的市场segment。

接下来分拣:

然后就可以上市了!

需要binning的原因

需要指出的是Intel这么做并不是什么市场策略,而是生产工艺使然。Wafer在2)和3)步骤中会有不少缺陷产生,看下面这个图:

大圆就是晶圆,小方格就是CPU的Die。我们可以看到其中的缺陷就像撒芝麻粒,斑斑点点,而且越靠近边角越可能出现,很多小格都有(量产后不会有这么多)。良品率高,品质控制的好,芝麻粒就少。

缺陷并不可怕,只要有手段控制就行了。CPU内置了很多gate,封测时发现问题就封闭出现错误的部件,core错误就关闭core,cache错误就关部分cache,温度上升快了就出错就锁到低频,等等。所以才有了i5,i7和其中的细小sku。

接着我们来举个例子,下面是第4代酷睿(Haswell)的die:

我们可以看到它主要分为几个部分:GPU、4个内核、System Agent(uncore,类似北桥)、cache和内存控制器和其他小部件。譬如我们发现core 3和4有问题,我们可以直接关闭3和4。如图:

这样就得到了双core的die,接下来可能会测试速度,TDP等等。经过重重测试和筛选,binning就完成了。

结论

同代同一大类(仅面向同一个segment)i7,i5,部分i3出自一个Wafer(晶圆)产线,它们的成本是一样的。不全部生产i7并不是Intel故意搞阴谋,而是生产工艺使然。现在的做法实际上是双赢的方案:消费者和生产者都获益。消费者省钱了,生产者也减少了浪费。如果都生产i7,估计价格高到天上去了,良品率也会严重降低。

因为市场和政策原因造成的为部分市场或者国家单独关闭或者打开某种功能,以及单独的SKU,不在本文讨论范围内。本文讨论仅限于技术原因和背后的知识。

其他

最后对一些常见误解做一下澄清:

  1. i7并不是Xeon共用一个wafer。只能说Xeon E3/E5/E7的内核部分和core系列设计几乎一样,但核外部分(uncore)却大不相同,不可能用一个晶圆。所以i7/i5/i3也不是Xeon封掉部分功能得到。同理Atom系列也不是core系列的阉割版
  2. 即使都是i7也不一定是一个wafer,die大小可能不同。面向不同的segment的die的内部是不同的,例如包不包括iris显卡等等,这不是binning能够解决的问题。
  3. i3部分是i5的缩水版,部分i3(主要部分)是奔腾、赛扬的精选版。关键在于QDF#标明其出身。
  4. 奔腾和赛扬不一定是i3的瘦身版,部分奔腾和赛扬是ATOM产品线的高端版。
  5. E7和E5设计不同,die大小不同,不适用本条。但E5和E7本身的Sku在此类
  6. 这种方法实际上降低了CPU的整体价格,而不是使大家吃亏。
  7. 不仅仅Intel这样,AMD也这样做。不仅仅CPU这样做,GPU也这样。这是芯片厂商的普遍做法。
  8. CPU核心技术在设计和生产的2和3阶段,封测阶段虽有技术含量,但不是核心,国内就有封测厂。
  9. 买了i3别觉得质量差。在保修期内质量是可以保证的,我还没见过被用坏的CPU呢。CPU往往是过时淘汰掉的。
  10. 如果从单位金额的产出来看反而是i3最划算,i5适中,i7对运算密集型的用户才比较适合。

总的来说看是不是兄弟开盖一看die的大小就知道了。但开盖就不会保修了,而且大部分有焊锡,小心开盖有"奖",切忌模仿!切忌模仿!切忌模仿

想到什么再补充。

这是一系列文章的第一篇,之后会介绍芯片生产的方方面面,例如Wafer的大小对成本的影响;为什么CPU不能做的很大;CPU良品率和Die大小的关系等等。

老狼:CPU制造的那些事之二:Die的大小和良品率zhuanlan.zhihu.com图标老狼:为什么CPU的频率止步于4G?我们触到频率天花板了吗?zhuanlan.zhihu.com图标老狼:为什么晶圆都是圆的不是方的?zhuanlan.zhihu.com图标

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补充个油管视频,介绍binning,可以翻墙的同学看一下:

youtube.com/watch?

参考资料:

  1. Chips, wafers, dies, masks, and photolithography
  2. All About Semiconductors
  3. stevenvh.net/electronic
编辑于 2018-01-20

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    从首次运用于Intel 安腾处理器,到第一版统一的可扩展固件接口(UEFI)规范出版,无论是在高性能服务器,移动设备或是深度嵌入式设备等,UEFI已在所有平台完全淘汰了BIOS。这里有关于UEFI的一切。