Energooszczędne Core 2 Quad Q9400S i Core 2 Quad Q9550S

Binning, czyli sortowanie

Pomiędzy poszczególnymi etapami, które opisaliśmy, wykonuje się binning – jedne z najważniejszych czynności w produkcji wszelkich półprzewodników. Termin pochodzi od angielskiego słowa bin, czyli kosz. Binning polega na sortowaniu produktów i półproduktów. Produkty są „wrzucane” do odpowiednich „koszy” – oczywiście nie dosłownie, chodzi o analogię na przykład do sortowania grzybów.

Pamiętajmy, że Intel, jak zresztą każdy producent półprzewodników, nie ujawnia dokładnie przebiegu i kryteriów sortowania. Przedstawione informacje są tylko ogólnie dostępną częścią całej wiedzy na ten temat. Binning podlega wielu ścisłym zasadom i ograniczeniom; największym problemem jest oczywiście maksymalizacja zysków, czyli wybór takich binów, żeby nie trzeba było wyrzucać zbyt dużo rdzeni, klasyfikować ich poniżej możliwości, a przede wszystkim – żeby trafić dokładnie w popyt na poszczególne biny.

Wszystkie procesory są równe, ale niektóre są równiejsze

Wyniki każdego z etapów produkcji różnią się między sobą w zależności od wielu (często losowych) czynników. Na przykład walec, z którego wycinane są wafle, zawiera wiele zanieczyszczeń, które zaburzają strukturę krystaliczną krzemu. Zanieczyszczony krzem ma zupełnie inne właściwości elektryczne, mechaniczne i cieplne: może na przykład stać się przewodnikiem lub izolatorem albo zwyczajnie kruszyć się. Oczywiście, większość istotnych zanieczyszczeń jest eliminowana, nie da się jednak uniknąć drobnych niedoskonałości. Są wśród nich takie, jakie całkowicie uniemożliwiają wykorzystanie fragmentu wafla, a inne w marginalnym stopniu wpływają na właściwości elektryczne krzemu. Dalej, po naniesieniu struktury półprzewodnikowej na powierzchnię wafla, może się na przykład okazać, że jedno z miliardów połączeń zostało nie do końca lub za mocno wytrawione, przez co nie uzyskaliśmy tranzystora, lecz diodę albo przerwę w obwodzie zamiast ścieżki. W trakcie pakowania może zostać uszkodzony rdzeń lub substrat. Te losowe czynniki powodują, że po każdym etapie produkcji trzeba poddawać półprodukty kontroli jakości.

Pierwsza kontrola jakości następuje już na etapie produkcji wafli. Ponieważ walec krzemowy jest najbardziej zanieczyszczony na końcach i na obwodzie, obcina się końce walca i brzegi wafli. Każdy wafel jest optycznie sprawdzany pod kątem niedoskonałości w krysztale. Już na tym etapie można podzielić półprodukty, na przykład najsłabsze wafle przeznaczyć do produkcji układów o najmniejszej powierzchni (żeby utracić jak najmniejszą powierzchnię wafla w razie wystąpienia punktowego defektu).

Po litografii wafle znów przechodzą szczegółową inspekcję – tym razem dokładne oględziny pomagają wykryć uszkodzone lub źle wytrawione rdzenie. Oznacza się je odpowiednio przed przystąpieniem do wycinania rdzeni z wafla. Podczas wycinania można uszkodzony rdzeń odrzucić albo wyciąć go w inny sposób, tworząc inny produkt. Jako przykład może posłużyć rdzeń Wolfdale (procesory Core 2 Duo wykonane w technologii 45 nm). Na zdjęciu rdzenia widać wyraźnie, że połowa pamięci podręcznej drugiego poziomu wystaje poza obrys elementów logiki procesora. Jest to zabieg umożliwiający przycięcie rdzenia do mniejszej szerokości i utworzenie Wolfdale'a 3M, czyli procesora z połową pamięci podręcznej L2, należącego do serii E7x00.

Po wycięciu i zapakowaniu procesory poddaje się pierwszym testom elektrycznym. Jak wspominaliśmy, dokładna struktura rdzenia podlega pewnym czynnikom losowym, przez co zapakowane procesory, mimo że wszystkie sprawne, różnią się między sobą parametrami elektrycznymi. Wystarczy kilka połączeń o innej szerokości, i już w układzie nie zostaną zachowane ścisłe wymagania co do natężenia prądu, czasu przełączenia tranzystora, czasu przebiegu sygnału z jednego miejsca do innego. Większość tych czynników ma dwa bezpośrednie efekty: po pierwsze – maksymalną częstotliwość działania układu, po drugie – wysokość napięcia zasilającego wymaganego do stabilnej pracy. Właśnie pod kątem tych dwóch parametrów różnicuje się sprawne, zapakowane procesory.

Żeby przypisać procesorowi maksymalną częstotliwość i minimalne napięcie, trzeba wybrać parametry i przetestować procesor. Dla ułatwienia binningu i aby oferta produktów była nieskomplikowana, określa się kilka binów, na przykład dla rdzeni Wolfdale 6M (z pełną pamięcią L2) są to częstotliwości: 2,66, 2,83, 3,00, 3,16, 3,33 GHz. Oprócz tego wyznacza się zakres napięć, w którym muszą się zmieścić wszystkie procesory – dla Wolfdale'a 6M jest to od 0,85 do 1,3625 V.

Czym się różni procesor energooszczędny od zwykłego

Tu dochodzimy do miejsca, w którym różnicuje się procesory energooszczędne i zwykłe. Najdoskonalsze z rdzeni, te które mogą działać z daną częstotliwością przy najniższym napięciu i wydzielając najmniej ciepła, są oznaczane jako energooszczędne i odpowiednio „wykańczane”: przepala się stosowne bezpieczniki we wnętrzu procesora, których stan będzie oznajmiał płycie głównej domyślną częstotliwość działania i żądane napięcie. Rzeczywiście, procesory energooszczędne, które trafiły do naszej redakcji, zarówno pod obciążeniem, jak i w spoczynku żądały od płyty głównej niższego napięcia niż ich odpowiedniki bez S. Co ciekawe, według specyfikacji Intela główną różnicą między procesorami z S a tymi bez S jest TDP, czyli wymaganie dotyczące sprawności układu chłodzącego. Podczas gdy Q9400 i Q9550 mają TDP równe 95 W, ich wersje S mają TDP 65 W. Specyfikacja podaje taki sam zakres możliwych napięć zasilających zarówno dla wersji zwykłych, jak i energooszczędnych. Mogło by to oznaczać, że można kupić Q9400 i Q9400S i dostać procesor S o napięciu zasilania 1,35 V, a zwykły – o napięciu 1,0 V. Wtedy niewątpliwie zwykły pobierałby mniej prądu i wydzielał mniej ciepła. Nie wiemy, jaki jest rozkład napięć wśród procesorów S – może średnia jest dużo mniejsza niż w przypadku zwykłych procesorów, a podane w specyfikacji napięcia określają jedynie wymagania dla układu zasilania na płycie głównej. Wystarczy jednak zagłębić się bardziej w specyfikację obu procesorów, żeby zauważyć drugą różnicę – w maksymalnej dopuszczalnej temperaturze obudowy. Wersje S dopuszczają temperaturę 76,3°C, a zwykłe – 71,4°C. Przypominamy, że sprawność układu chłodzenia jest tym większa, im większa jest różnica temperatur między jego gorącą a zimną stroną. Być może procesory energooszczędne wymagają słabszych układów chłodzenia, bo przy nieco wyższej temperaturze nawet słabszy schładzacz zdoła odprowadzić wydzielane ciepło.