iPhone 13的4核和5核GPU有何不同？

什么叫Chip Binning（芯片分類）？

想必大家都有關(guān)注Apple這次發(fā)布的新款A(yù)15 仿生芯片。A15在四款iPhone 13系列中CPU都是相同的2個(gè)性能核與4個(gè)能效核，但GPU的部分略有差別。13和13 mini是4核GPU，而13 Pro和13 Pro Max的GPU則是5核。

這個(gè)現(xiàn)象大家可能也不陌生，還記得之前M1 Macbook Air便是如此，分為7核GPU、8核GPU。

這種現(xiàn)象在芯片行業(yè)其實(shí)較普遍，為了節(jié)約成本一般是采用了Chip Binning（芯片分類），那么到底什么是Chip Binning呢？

那些報(bào)廢掉的晶圓

所有的芯片都是由超純的硅片制成的，上面鋪有金屬、絕緣體和半導(dǎo)體材料，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)的CPU、專門的圖形處理器，還是系統(tǒng)內(nèi)存DRAM。整個(gè)過(guò)程極其復(fù)雜，芯片制造廠需要巨大的產(chǎn)能，耗資數(shù)十億美元。

一座現(xiàn)代化的芯片制造工廠內(nèi)部。（圖片來(lái)源：TSMC）

那種我們?cè)诰W(wǎng)上?？吹降墓獗P形狀的東西就是晶圓，Intel、GlobalFoundries和TSMC等每年都要生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)張晶圓。生產(chǎn)過(guò)程需要最高質(zhì)量的工具來(lái)確保最終產(chǎn)品符合芯片設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)。

為了使一切盡可能地接近完美，工廠的生產(chǎn)區(qū)都會(huì)略微加壓，防止空氣中的細(xì)菌和灰塵顆粒進(jìn)入房間。工人們穿著防護(hù)裝備，確保他們的皮膚細(xì)胞和頭發(fā)盡可能少地進(jìn)入機(jī)器。

Intel的工廠

成品晶圓非常漂亮，也非常珍貴。每一塊都要花費(fèi)數(shù)千美元來(lái)制造，整個(gè)制造過(guò)程從硅錠到成品，需要幾個(gè)月的時(shí)間。每一個(gè)可以從晶圓中切割出來(lái)出售的芯片（也被稱為die）對(duì)于收回制造成本都至關(guān)重要。

Intel第九代酷睿處理器的11.8英寸（300mm）晶圓

為了切割芯片，需要采用金剛石刀鋸，但其中有相當(dāng)比例的晶圓會(huì)完全報(bào)廢，因?yàn)槟銖膱D片中也看得到邊緣的芯片并不完整。通常情況下會(huì)有5-25％的晶圓報(bào)廢（報(bào)廢數(shù)量大小取決于芯片的大?。?。

剩余的部分就會(huì)被順利安裝在電路板封裝，還可能會(huì)覆蓋一個(gè)散熱器，最終成為我們都熟悉的CPU。

以酷睿系列處理器為例讓我們來(lái)看看Intel酷睿系列最新處理器，其中最強(qiáng)大的是酷睿i9-10900K，它有10個(gè)內(nèi)核和一個(gè)集成的GPU。

下圖是我們通常會(huì)看到的這種PC組件的樣子，但如果我們能撬開散熱器，使用工具深入到芯片的內(nèi)部，它看起來(lái)會(huì)非常不同。

實(shí)際的CPU是一個(gè)由邏輯塊、SRAM存儲(chǔ)、接口和通信總線構(gòu)成的豐富的景觀。僅在一個(gè)芯片中，就有數(shù)十億個(gè)獨(dú)立的電子元件，它們都在同步和諧地工作。

下圖突出了一些關(guān)鍵區(qū)域。最左邊的是I/O系統(tǒng)，包含DDR4-SDRAM內(nèi)存、PCI Express和顯示控制器。這里還包括管理所有內(nèi)核的通信環(huán)的系統(tǒng)。就在I/O部分的上方是系統(tǒng)內(nèi)存的接口，在芯片的另一側(cè)，我們可以看到集成的圖形芯片，即GPU。無(wú)論你接觸到的是什么型號(hào)的Intel酷睿處理器，這3個(gè)部分都會(huì)出現(xiàn)。

塞在所有這些之間的是CPU內(nèi)核。每一個(gè)都是另一個(gè)的副本，充滿了計(jì)算數(shù)字、移動(dòng)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)未來(lái)指令的單元。在內(nèi)核兩側(cè)的是兩條L3緩存（低級(jí)別的緩存在內(nèi)核深處），每條緩存提供1MB的高速存儲(chǔ)。

你可能認(rèn)為Intel會(huì)為他們出售的每一個(gè)CPU制造一個(gè)新的晶圓，但一個(gè)i9-10900晶圓可能會(huì)生產(chǎn)出以下任何一種型號(hào)。

Base Clock以GHz為單位，是芯片運(yùn)行的最低保證頻率，無(wú)論它處于什么負(fù)載下。All Core Turbo是所有內(nèi)核可以一起運(yùn)行的最大頻率，但不一定能保持很長(zhǎng)時(shí)間。這與Turbo Boost類似，只是它只是兩個(gè)內(nèi)核。

PL1 TDP是Power Level 1，熱設(shè)計(jì)功率。它是指CPU在任何負(fù)載下以其Base Clock運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生多少熱量。它可以產(chǎn)生很多熱量，但它將限制芯片的運(yùn)行速度，當(dāng)插入主板時(shí)，設(shè)計(jì)者可能會(huì)限制芯片的功率，以防止這種情況。

代碼以F結(jié)尾的型號(hào)都有一個(gè)禁用的GPU；K表示有一個(gè)解鎖的時(shí)鐘系統(tǒng)（所以你可以很容易地超頻），T則表示低功耗。這些只是臺(tái)式機(jī)CPU，有些最終會(huì)成為Xeons，即面向工作站或小型服務(wù)器等專業(yè)市場(chǎng)的處理器。

因此，僅一種設(shè)計(jì)就有19個(gè)型號(hào)，為什么一個(gè)芯片最終會(huì)變成這么多不同的類型呢？

這是一個(gè)不完美的世界

盡管芯片制造廠看起來(lái)非常無(wú)懈可擊，但無(wú)論是工廠還是所使用的技術(shù)和材料都不是100%完美的?？倳?huì)有一些納米級(jí)的雜物，要么在工廠內(nèi)，要么在原材料硅和金屬的什么地方。無(wú)論他們?nèi)绾闻?，制造商都不可能保證完全清潔和純凈。

當(dāng)你試圖制造一個(gè)如此小的組件時(shí)，只有高能電子顯微鏡才能讓你看清楚細(xì)節(jié)，沒什么東西能完全按照設(shè)計(jì)的那樣表現(xiàn)。在納米世界中，量子行為變得更加明顯，隨機(jī)性、噪聲和其他故障會(huì)盡力擾亂芯片的層疊游戲。所有這些問題都讓處理器制造商非常頭疼，最終結(jié)果只能被歸類為缺陷。

并非所有的缺陷都很嚴(yán)重。它們可能只是導(dǎo)致芯片的某個(gè)特定部分運(yùn)行時(shí)溫度高于正常水平，當(dāng)然如果情況真的很糟糕，那么整個(gè)部分可能就全要報(bào)廢掉了。所以，制造商首先做的就是掃描晶圓，尋找缺陷。

尋找缺陷與光散射方法（來(lái)源：Hitachi High-Tech）

專門用于檢測(cè)缺陷的設(shè)備是在晶圓被制造出來(lái)之后、但在被切割成單個(gè)芯片之前使用的。顯示出有問題的芯片或整個(gè)晶圓會(huì)被標(biāo)記出來(lái)，然后將其單獨(dú)擱置進(jìn)一步檢查。

但是，即使是這些步驟也不能抓住每一個(gè)微小的瑕疵和故障，所以在芯片從晶圓上切割并封裝之后，每顆芯片還要進(jìn)行更多測(cè)試。

用Chip Binning提高成品率

當(dāng)芯片公司坐下來(lái)檢查其處理器的質(zhì)量時(shí)，他們將芯片設(shè)置為以設(shè)定的電壓和一定的時(shí)鐘速度運(yùn)行；當(dāng)芯片通過(guò)一系列的基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，旨在對(duì)所有不同的部分施加壓力，功耗和產(chǎn)生的熱量會(huì)被仔細(xì)測(cè)量。

他們會(huì)發(fā)現(xiàn)，有些芯片完全按照要求運(yùn)行，而另一些芯片則更好或更差。

一些芯片可能需要更高的電壓才能完全穩(wěn)定，其他芯片的內(nèi)部可能會(huì)過(guò)熱，很可能有些根本達(dá)不到要求的標(biāo)準(zhǔn)。

組裝處理器之前的最后測(cè)試和檢查（圖片來(lái)源：Intel）

對(duì)確定有缺陷的處理器也會(huì)進(jìn)行類似的探索，但在此之前，要進(jìn)行額外的檢查，看芯片的哪些部分仍在工作，哪些是需要報(bào)廢的。

這樣做的最終結(jié)果是，一個(gè)晶圓的有用產(chǎn)出（產(chǎn)量，yield）產(chǎn)生了一系列的分類，它們可以根據(jù)其功能部件、穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率、所需的電壓和熱輸出進(jìn)行分類。這種分類就叫做“Chip Binning”。

在i9-10900K的例子中，一些分類就是工作內(nèi)核的數(shù)量、CPU穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率范圍，以及在某個(gè)時(shí)鐘下的熱輸出。

讓我們想象一下，一個(gè)酷睿i9-10900芯片經(jīng)過(guò)了全部測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)嚴(yán)重的缺陷，如上所述。其中兩個(gè)內(nèi)核和GPU損壞到無(wú)法正常工作的程度。

然后，英特爾將禁用這些壞掉的部分，并將其標(biāo)記為酷睿i7-10700系列芯片，特別是F型號(hào)。但隨后需要對(duì)其進(jìn)行時(shí)鐘速度、功率和穩(wěn)定性測(cè)試。如果該芯片達(dá)到了所需的目標(biāo)，它將繼續(xù)作為i7，但如果它不能完全達(dá)到這些目標(biāo)，另外兩個(gè)內(nèi)核可以被禁用，然后用作i5。

就第十代酷睿處理器而言，英特爾確實(shí)為酷睿i5、i3和奔騰/賽揚(yáng)系列采用了單獨(dú)的晶圓設(shè)計(jì)。這些開始是6核的芯片，后來(lái)也開始有2核的產(chǎn)品。

產(chǎn)品需求往往會(huì)超過(guò)產(chǎn)能，因此Chip Binning就極大地提高了晶圓的成品率。有時(shí)，為了保證足夠的產(chǎn)出，功能完好的芯片也會(huì)被關(guān)閉一部分。這確實(shí)意味著，當(dāng)你購(gòu)買一個(gè)特定的芯片時(shí)，你實(shí)際上得到的是什么，簡(jiǎn)直就像是在買彩票。

綜上所述，Chip Binning極大地提高了晶圓的產(chǎn)量，因?yàn)樗馕吨嗟男酒梢员焕煤弯N售。

Binned CPU很特別嗎？

就像計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的許多術(shù)語(yǔ)一樣，Chip Binning已經(jīng)成為其原始含義以外的意思。網(wǎng)店上有時(shí)會(huì)將這類手工挑選的特殊CPU（那些超頻到瘋狂程度或運(yùn)行時(shí)比冥王星表面還冷的CPU）作為“Binned CPU”出售?，F(xiàn)實(shí)情況是，所有的芯片都是分類過(guò)的，只是因?yàn)樗鼈儽仨氝@樣做。

當(dāng)然，沒什么能阻止零售商對(duì)他們購(gòu)買的芯片進(jìn)行分裝：Binned-Binned CPU，有人要嗎？

AMD和Intel的處理器必須批量購(gòu)買（盤子里有幾十個(gè)，甚至幾百個(gè)芯片），你可以坐下來(lái)用一臺(tái)測(cè)試電腦檢查每一個(gè)芯片，超頻或降頻，記錄它們的溫度，等等。然后，這批產(chǎn)品中最好的可以作為特殊產(chǎn)品出售，零售商可以正確地將它們分類為“Binned CPU”。自然，所有這些額外的測(cè)試都需要花費(fèi)時(shí)間和精力，所以就會(huì)反映在產(chǎn)品的零售價(jià)上。

這些所謂的Binned Chip在某些方面特別嗎？是的，也不是。你的電腦、手機(jī)、汽車等使用的每一個(gè)芯片都經(jīng)過(guò)了某種選擇過(guò)程。這只是所有微處理器和DRAM芯片制造過(guò)程中的另一個(gè)階段而已。

[參考文章]

What Is Chip Binning(Hitting the Silicon Lottery Jackpot) — Nick Evanson