为什么处理器型号越来越多,超频也越来越难?

小夏 社会 更新 2024-02-01

数字农历新年挑战 对于老款 Diyer 来说,可能是当年的经典超频产品,比如第一代赛扬 300A、大名鼎鼎的“Tualina”......然而,对于新的PC爱好者来说,超频不仅越来越难,而且处理器型号也越来越多,为什么呢?

于是,资深DIYER会把目前的情况称为“灰烬”,认为从CPU到GPU,这种越来越难以超频的现象,是因为芯片开始“出厂即灰烬”,没有被挖掘的潜力,而得到一个“体质”好的普通版芯片的几率几乎和中彩票一样?

究其原因,来自晶圆——所有芯片都来自不同尺寸和制造工艺的半导体“圆盘”,过去创造了芯片的奇迹,也造成了现在的突破困境。

半导体晶圆是电子设计和制造的基础。 这些薄的圆盘状基板不仅是组件,而且是用于展开半导体制造的画布。 虽然半导体晶圆的材料大致分为硅、砷化镓、碳化硅和磷化铟四大类,但硅原料主要用于制造各种处理器芯片。

硅片由高纯度的单晶硅材料制成。 高纯硅单晶半导体的圆柱形锭是通过从熔体中提取晶种晶体制成的。 作为供体的杂质原子被精确地添加到熔融的本征材料中,以确保晶体的掺杂,从而将半导体转化为n型或p型半导体。 然后将锭切成薄片以形成晶圆。

然后,根据芯片的设计,通过光刻成像刻蚀和分割,在一块不同尺寸的高质量晶圆上形成芯片或芯片芯。

接下来,机器切割芯片区域,组装它(根据架构插入其他半导体组件,例如缓存),将其安装在 PCB 上,然后封装外壳以形成成品处理器。

英特尔第 9 代酷睿处理器的一件 118 英寸(300 毫米)晶圆。

为了从晶圆上去除CPU GPU核心组件,需要使用金刚石锯将半导体晶圆切成薄片,但由于晶圆边缘的切割不完整,一定比例的晶圆将被完全报废。 5%到25%的晶圆被扔掉了——确切的数字很大程度上取决于芯片核心晶圆的尺寸。

在晶圆生产的早期阶段,每片晶圆的制造成本为数千美元,从铸锭到产品的整个制造过程从开始到结束可能需要数月时间。 从这些晶圆中可以去除多少芯片对于主要公司(例如英特尔和AMD)和代工厂(例如三星,台积电)收回制造成本至关重要。

在生产过程中,由于芯片设计中晶体管的数量不断增加,如果要在相同尺寸的晶圆盘片上生产更多的处理器,就必须减少整个晶圆面积,并提高性能。 收缩的原理对每个人来说都是一样的——尽可能减小单个晶体管的尺寸。 目前主流工艺已经是5nm,即每个晶体管的宽度为5nm。

对于这么小的晶体管来说,加工蚀刻必须依靠极高精度的光刻机,这是一笔巨大的固定成本。 此外,光刻机不能保证完全的准确性和错误。 这些误差可能导致同一晶圆不同部件的组件加工精度和质量存在差异——微小的差异可能导致巨大的性能差异。

而晶圆基体本身也会带来差异:硅原料和金属深处总会有一些纳米级杂质。 无论制造商如何努力,它都不可能完全干净和纯净。 原材料的质量千差万别,即使是最精确的光刻机也无法实现完全一致。

在纳米级世界中,量子行为变得更加明显,随机性、噪声和其他小故障尽最大努力破坏微妙的芯片游戏。 所有这些问题都对处理器制造商不利,最终结果被归类为芯片缺陷。

在晶圆切块之前,制造商通过上图中的几种测试方法进行“全面检查”和标记。

并不是所有被扫描的芯片都是坏的,它们可能只是导致芯片的某个部分运行过热,但如果真的很严重,那么整个晶圆就会完全报废。

一旦晶圆从晶圆上切割并安装在封装上,每个芯片都会经过更多的测试。 在检查处理器质量时,将芯片设置为以设定的电压和一定的时钟速度运行; 该芯片经过一系列基准测试,旨在对所有不同的部件施加压力,同时仔细测量消耗的功率和产生的热量。 有些芯片完全按照要求工作,而另一些则更好或更差。

在发现缺陷的处理器上执行类似的检查,但在此之前,会进行额外的检查,以查看芯片的哪些部分仍在工作以及哪些位已报废。

这样做的最终结果是晶圆的有用的输出(称为产量)。产生一系列“模具”,可以根据其功能部件的有效性、可达到的稳定时钟频率、所需的电压和产生的热量进行分类。 这称为芯片分拣。

在包装前对发现有缺陷的芯片进行类似的检查,以确定它们是真正的废料还是可以回收。

让我们假设对酷睿i9-13900K芯片的全面测试揭示了上述几个关键缺陷。 这些内核和集成显卡中有一定数量已损坏,以至于它们无法正常工作。 此时,它将被禁用"卡住了"部分并将其标记为酷睿 i5-13400F 系列芯片。 然后测试时钟速度、功耗和稳定性。 如果芯片达到要求的目标,它将继续用作 i5 非“kf”芯片。

下一个封装是根据 13400F 的规格将其连接到不同容量的外围组件:较低容量的 SRAM 缓存、较少数量的高速总线通道和其他......完成最终测试和包装。

总之,划分的等级越多,硅片利用率越高,整体成本越低!

所以,事实上,你的 13700 可能和你朋友的 13100 是在同一晶圆上生产的!

在各个方面,都可以大大提高芯片分选处理器因为这意味着更多的芯片可以被利用和销售。 没有这种技术,铸造它将充满废晶圆,您获得的处理器可能比现在贵三到五倍!

因此,处理器越来越难以超越,一方面,它不仅反映了摩尔定律在半导体行业日益增长的局限性,另一方面也为更多廉价的普通芯片进入市场,为大众提供更便宜的产品提供了流量条件!

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