Yonga Gruplandırma Nedir? Chip Binning Neden Yapılır?

Yeni bir işlemci veya ekran kartı aldınız, sisteminize taktınız ve her şey tıkır tıkır çalışıyor. Donanımınızla hız aşırtma denemeleri yaptığınız, frekanslar belli bir seviyeye kadar yükseldi. Ancak internet ortamında araştırma yaptığınızda farklı kişilerin aynı donanımın ile daha yüksek hızlara çıktığını gördünüz. Bu durum size anormal gelse de aslında normal.

Belki duymuşsunuzdur, teknoloji dünyasında “silikon piyangosu” olarak çevirebileceğimiz “silicon lottery (veya silicon jackpot)” diye bir tabir var. Çip üretimi aslında düşündüğünüz kadar kusursuz işlemiyor. Şimdi yarı iletken dünyasındaki “chip binning (çip-yonga gruplandırma” işlemine değineceğiz.

Chip Binning Nedir?

Maddeler halinde yonga gruplandırma işlemine dair detaylara bakalım.

• Çip üretim süreci kusursuz değildir. Bilgisayarınızda (örneğin CPU veya GPU), telefonunuzda veya arabanızda kullanılan her çip bir seçim sürecinden geçer. Bunun nedeni, üretimden sonra bazı çiplerin diğerlerinden daha iyi performans gösterecek olmasıdır.
• Intel, AMD ve NVIDIA gibi tüm çip üreticileri, yüksek performanslı yongaları (daha yüksek saat hızları, daha fazla çekirdek kapasitesine sahip vb.) pahalı modellerde kullanmak üzere bir kenara ayırır. Kalite açısından biraz daha zayıf olan çipler elbette çöpe gitmiyor. Çekirdekleri devre dışı bırakılan, düşük güç seviyelerine yatkın ve düşük performanslı işlemciler de satışa çıkıyor.
  • Örnek olarak; eğer çip 2 GHz hızına erişemiyorsa, 1,5 GHz hızında çalışan bir çip modeli olarak satılabilir. Ya da bir CPU entegre grafik kısmında kusurlar gösteriyorsa, bu ürünler entegre grafiklerden yoksun şekilde tedarik edilebilir.
• Çip gruplandırma, tüm mikroişlemcilerin ve DRAM çiplerinin üretiminde bu ayrımın gerçekleştiği bir aşamadır.
• Düzenli çip gruplandırması özellikle maliyetler açısından üreticilerin yararına. Ancak bir donanıma çok fazla talep varsa, şirketler talebi karşılamak için bu ayrıştırma sürecinde farklı bir yol izleyebilir. Yani yüksek potansiyele sahip bir silikona farkında olmadan sahip olabilirsiniz.
• Gruplandırma aynı zamanda yonga plakasının (silikon disk plaka) verimini de artırıyor. Üretimde daha fazla silikon kullanılabiliyor ve satılabiliyor. Bu da üretim maliyetlerini düşürmekte. Makalemiz henüz bitmedi. Şimdi yarı iletken sektöründeki işleyişe daha yakından bakacağız.

Silikon Disk Plakalar (Wafer)

İster standart bir CPU, ister özel bir grafik işlemci ya da sistem belleği olarak kullanılan DRAM olsun, tüm çipler metaller, yalıtkanlar ve yarı iletken malzemelerle katmanlanmış ultra saf silikon disklerden yapılır. Burada baştan sona tüm süreci konuşmayacağız. Ancak yarı iletken üretimi son derece karmaşıktır ve yeni nesil çipleri büyük hacimlerde üretmek için milyarlarca dolar yatırım yapmak gerekiyor.

Üretim tesisleri kurmak, yarı iletken ekipmanlarını tedarik etmek ve araştırma harcamaları gibi birçok etken sayabiliriz. Nihai bir çip elde etmek için tasarım yapan mühendislerin ultra hassas planlarının en ince ayrıntısına kadar işlemesi için yüksek kalitede cihazlara ihtiyaç var. Silikon disk plakalar “wafer” olarak bilinir. TSMC, Intel ve GlobalFoundries gibi önde gelen yarı iletken devleri, her yıl milyonlarca wafer üretimi yapmakta.

Fabrikalar, üretimi mükemmele yakın tutmak için havadaki bakteri ve toz parçacıklarını bile hesaba katar. Bu tür olumsuz şeylerden etkilenmemek için üretim alanları hafifçe basınçlandırılır. Yarı iletken tesislerinde çalışanlar, deri hücrelerinin ve saçlarının makinelere girmesini önlemek amacıyla koruyucu giysi giyerler.

Üretimi tamamlanan bir wafer aşağıdaki gibi görünüyor. Çok değerli olan bu disk plakaların her biri binlerce dolara mal oluyor ve silikon külçeden nihai ürüne kadar tüm üretim süreci baştan sona aylar sürüyor. Diskten kesilen çipler CPU ve GPU gibi birimlerde kullanılmakta. Dolayısıyla elde edilen wafer için harcanan paranın geri kazanılması için her bir çipin değerlendirilmesi önemli.

Genelde dikdörtgen yapıda olan çipler wafer’dan elmas testere yardımıyla kesiliyor. Birçok kişinin merak ettiği bir şey var. Yuvarlak yapıdaki plakanın kenarında yer alan yongalar tamamlanamadığı için bir kısmı tabiri caizse çöp oluyor. O anki duruma göre silikon plakanın %5 ila 25’i (bu miktar çipin boyutuna göre değişir) çöpe atılıyor. Kalan kısımlar daha sonra devre kartına monte edilirken genellikle entegre ısı yayıcı (IHS) ile kaplanıyor. Yani anakartınıza taktığınız işlemcinin dış yüzeyinden bahsediyoruz.

CPU’lar

Intel’in 12. Nesil Alder Lake ailesinden bir işlemciye, 10 çekirdeğe ve entegre bir GPU’ya sahip olan Core i9-12900KS modeline bir göz atalım. İşlemcinin üstünde entegre ısı dağıtıcı olduğundan dolayı pek bir şey göremiyoruz. Ancak IHSyi çıkardığımızda farklı bir tablo karşımızda olacak.

Adeta bir metropol şehri andıran CPU’lar, mantık bloklar, SRAM depolama birimleri, arabirimler ve iletişim veri yollarını barındırıyor. Başka bir deyişle, tümü senkronize uyum içinde çalışan milyarlarca ayrı elektronik bileşen mevcut.

Çeşitli işlemcilerin yüksek çözünürlüklü çekimlerini yapan bir donanım tutkunu olan Fritzchens Fritz, daha önce PlayStation 5’in kalbinde yer alan SoC’i mercek altına almıştı. İçerisinde milyarlarca transistörün düzenli bir şekilde konumlandırıldığı çip gerçekten muazzam görünüyor.

AMD Oberon kod adlı SoC, Zen 2 ve RDNA 2 gibi AMD’nin özel tasarım yongalarına sahip. Sistemin beyni diyebileceğimiz çipte 3.5 GHz hızında çalışan, hiper iş parçacığı etkinleştirilmiş sekiz Zen 2 CPU çekirdeği bulunuyor. Ek olarak SoC, RDNA 2 mimarisine dayanan ve 2,23 GHz’e kadar hızlarda çalışabilen 36 adet işlem birimini (CU) içerisinde barındırıyor. Yüksek GPU frekanslarıyla birlikte konsolun hesaplama gücü 10.3 TeraFLOP’a kadar çıkıyor.

SoC kalıbının yakın çekimlerinde, AMD’nin yonga içerisindeki milyarlarca transistörü nasıl yerleştirdiği gözler önüne serilmiş. GPU çekirdekleri, entegre grafik motorunu oluşturmak için birden fazla CU’nun içinde bölünerek orta kısımda yer alıyor. Bunun dışında bahsettiğimiz Zen 2 çekirdekleri ve giriş/çıkış birimi için ayrılan silikon birimi bulunuyor.

AMD’nin Infinity Fabric bağlantı teknolojisi, tüm çipi ve L2 önbelleği birbirine bağlıyor. GDDR6X bellek denetleyicisi ve PHY (fiziksel katman) arabirimi ise SoC’in kenar kısımlarında görülebiliyor. Ayrıca dikkatli bakıldığında L3 önbelleği de görmek mümkün.

Ek olarak, Fritzchens Fritz tarafından yayınlanan klasörü ve tüm detaylı fotoğrafları Flickr bağlantısından görebilirsiniz.

CPU’nun Anatomisi

Aşağıdaki görselde Core i9-10900K işlemcinin bazı önemli alanları vurgulanıyor: en solda DDR4-SDRAM bellek, PCI Express ve ekran kontrolcüsü içeren I/O sistemi yer almakta. Ayrıca tüm çekirdekler için iletişim halkasını yöneten sistem de burada yer alıyor. I/O bölümünün hemen üzerinde sistem belleği için arayüz yer alırken, kalıbın diğer tarafında entegre grafik yongasını, yani GPU’yu görebiliyoruz. Sonunda “F” ibaresi hariç olmak üzere aldığınız Intel Core işlemcilerin tümünde bu 3 temel parça mevcut.

Tüm bunların arasına CPU çekirdekleri yerleştirilmiş ve birbirlerinin kopyası gibi. Çekirdekler hesaplamaları yapmak, verileri taşımak ve gelecekteki komutları tahmin etmek için birimlerle dolu.

Bir çekirdeğin her iki yanında, her biri 1 MB yüksek hızlı depolama sunan iki adet Seviye 3 (L3) önbellek şeridi bulunuyor. Intel’in sattığı her CPU için yeni bir yonga ürettiğini düşünebilirsiniz. Ancak tek bir ‘i9-10900’ diski potansiyel olarak aşağıdaki modellerden herhangi birinde kullanılabilecek yongalar için kullanılabilir:

GHz (gigahertz) cinsinden ölçülen Temel Saat, hangi yük altında olursa olsun çipin çalışacağı garanti edilen en düşük frekanstır. Tüm Çekirdeklerde Turbo Frekans olarak belirttiğimiz, tüm çekirdeklerin birlikte çalışabileceği maksimum frekansı temsil ediyor. Turbo Boost ise yalnızca iki çekirdeğin çıkabileceği hızlar için geçerli.

PL1 TDP, Güç Seviyesi 1 (Power Level 1) – Termal Tasarım Gücü anlamına gelir. Başka bir deyişle, CPU’nun herhangi bir yük altında Temel Saat hızlarında çalışırken ne kadar ısı yaratacağının bir göstergesi. İşlemciler bildiğiniz gibi yüksek frekanslarda yüksek TDP değerlerine çıkabilir, ancak tasarımcılar her şey için bir sınırlama belirler.

“F” ile biten koda sahip modellerde GPU devre dışı bırakılmıştır; K ibaresi çipin kilitsiz bir saat sistemine sahip olduğunu gösterir, böylece overclock yapabilirsiniz. T ise düşük güç anlamına gelir. Sonuç olarak, tek bir tasarımdan 19 ayrı model türetmek mümkün.

Çip Üretimindeki Kusurlar

Çip üretim tesisleri her ne kadar gelişmiş olsa da, ne kullanılan teknoloji ne de malzemeler %100 kusursuz değildir. Tesisin içinde ya da kullanılan ham silikon ve metallerin derinliklerinde her zaman nano ölçekte bazı kalıntılar olacaktır. Üreticiler ne kadar uğraşırlarsa uğraşsınlar, bunları tamamen temiz ve saf hale getiremezler. Bununla birlikte, yüksek güçlü elektron mikroskoplar aracılığıyla insan gözünün görebileceği kadar küçük bileşenler inşa etmeye çalışsanız bile her şey dört dörtlük olmayacaktır.

Yarı iletken üretimindeki tüm kusurlar ciddi seviyelerde değildir. Örneğin sadece çipin belirli bir bölümünün olması gerekenden daha sıcak çalıştığı görülebilir. Ancak verimlilik ve sıcaklıklar kötü seviyedeyse, o zaman tüm her şey tamamen çöp olabilir. Üreticilerin yaptığı ilk şey, kusurları erken görebilmek için yonga taraması yapmaktır.

Sorunları tespit etmek için geliştirilen makineler, bir yonga plakası üretildikten sonra çipler tek tek ayrılmadan önce kullanılır. Sorunlu olduğu görülen kalıplar işaretlenir ve böylece daha ileri düzeyde inceleme yapmak için kenara ayrılırlar. Ne yazık ki bu adımlar bile hatanın sıfıra inmesini sağlamıyor. Bu nedenle silikon parçalar yonga plakasından kesilip paketlerine monte edildikten sonra her biri daha da fazla teste tabi tutulur.

Gruplandırma

Intel gibi şirketler, işlemcilerinin kalitesini kontrol etmek için çipleri belirli bir voltajda ve belirli bir saat hızında çalışacak şekilde ayarlar; yonga kalıbı içindeki bölümlerin tümü zorlamak için bir dizi testten geçerken, tüketilen elektrik gücü miktarı ve üretilen ısı dikkatlice ölçülür. Bu noktada bazı çipler tam olarak gerektiği gibi, bazıları ise daha iyi veya daha kötü performans sergilemekte.

Bazı çiplerin tamamen kararlı olması için daha yüksek bir voltaja ihtiyacı olabilir. Seçilen belirli yongaların iç kısımları çok fazla ısı üretebilir ve muhtemelen bazıları gerekli standartlara tam olarak ulaşamıyor.

Kusurlu olduğu tespit edilen işlemciler için de benzer çalışmalar yapılıyor, ancak bu yapılmadan önce çipin çalışan bölümleri ve hangi bitlerin çöp olduğunu görmek için ekstra kontroller gerçekleştiriliyor. Bunun sonucunda çalışan parçalar, sabit saat frekansları, gerekli voltaj ve ısı çıkışı temelinde kategorize edilebilecek biri dizi yonga kalıbı üretilmekte. Bu sıralama prosedürüne de “chip binning, yani çip gruplandırma” adı veriliyor. Testten geçen çipler ayrı olarak gruplandırılıyor.

Core i9-10900K üzerinden gidelim. İşlemcinin bölümleri, çalışan çekirdek sayısı, CPU’nun kararlı olduğu saat frekans aralığı ve belirli bir saatte üretilen ısı çıkışı gözlemlenir. Kapsamlı şekilde incelenen bir Core i9-10900 yongasının birkaç ciddi kusura sahip olduğunu düşünelim. Örneğin çekirdeklerden ikisi ve entegre GPU düzgün çalışamayacakları düzeyde hasar görmüş.

Intel bu durumda bozuk bölümleri devre dışı bırakırken çipi Core i7-10700 serisinden bir işlemciye dönüştürebilir. Tahmin edebileceğiniz gibi, dahili grafikler arızalı olduğundan dolayı “F serisi” bir işlemci ortaya çıkacaktır. Elbette işlemcinin saat hızları güç ve kararlılık açısından test edilmesi gerekir. Eğer çip gerekli hedeflere ulaşırsa Core i7 ailesine ait olarak kalabilir. Ancak her şey istendiğini olmazsa daha fazla çekirdek devre dışı bırakılabilir ve yonga kalıbı Core i5 modeli için kullanılabilir.

Her şeyi göz önüne alıp değerlendirme yapacak olursak, gruplandırma işlemi bir silikon plakanın verimi büyük ölçüde artırmakta. Böylelikle wafer’dan daha fazla yonga üretilir ve satış gerçekleşir. Yani maliyetler açısından çok faydalı.

Intel, 10. Nesil Core ailesinde Core i5, i3 ve Pentium/Celeron serileri için ayrı bir wafer tasarımına sahipti. 11. Nesil Raptor Lake ile birlikte büyük değişimler olmadı. Ancak şirket 12. Nesil Alder Lake ile işlemcilerini baştan aşağı yeniden tasarladı ve 13. Nesil Raptor Lake ile benzer tasarım ilkesi devam etti.

Ürün Talebi ve Silikon Piyangosu

Ürün talebi bazen üretim kapasitesini aşabiliyor. Bu nedenle Intel, 10. nesilde siparişleri karşılamak için genellikle 10 çekirdekli çipler taşıyan wafer kullanıyordu. Talep olduğunda ise çekirdeklerin bir bölümü devre dışı bırakılarak son tüketiciye ulaştırıldı. Sonuç olarak, bir CPU veya GPU olsun, yeni bir donanım alırken iç detayını hiçbirimiz bilmiyoruz. İşte buna “silikon piyangosu” deniyor.

NVIDIA GeForce RTX 3000 Serisinde Çip Gruplandırma

2020 yılının Eylül ayına dönelim. O günlerde NVIDIA’nın yaptığı silikon gruplandırma işlemleriyle ilgili bir haber yapmıştık. Söylediğimiz gibi, NVIDIA ve AMD gibi teknoloji devleri, sınıflandırmayı yaptıktan sonra üretim ortaklarına gönderdikleri “binning” katmanları oluşturuyor. Yonga tedarik süreci bakımından en büyük ve karmaşık kısım grafik kartları tarafında yer alıyor. MSI, ASUS veya Gigabyte gibi onlarca farklı üretim ortağı olduğundan dolayı NVIDIA ve AMD gibi üreticilerin onlara çeşitli kalitelerde çipler göndermesi gerekiyor.

Ek olarak, ekran kartı üreticilerinin farklı fiyat noktalarında ürünler sunduğunu hepimiz biliyoruz. Örneğin ASUS’un ROG Strix, Gigabyte’ın AORUS ve MSI’ın SUPRIME serileri her zaman pahalıdır. Bu kartlar üreticiler tarafından seçilen yüksek performanslı çiplerle destekleniyor. Ayrıca soğutma sistemleri de ekstra güçlü olduğundan dolayı çok daha yüksek frekans hızlarına çıkabiliyorlar.

Igor’s Lab’e göre NVIDIA, GeForce RTX Ampere (RTX 3000) serisini üç binning katmanına ayırdı: Bin 0, Bin 1 ve Bin 2. Temel istekleri karşılayabilecek bir yongayı temsil eden sınıf Bin 0 iken daha iyi yongalar Bin 1 olarak sınıflandırılıyor. En yüksek performans özelliklerine sahip kaliteli yongaları temsil eden sınıf ise “Bin 2” olarak adlandırılıyor. Bu üst sınıf çipler diğerlerine kıyasla daha soğuk çalışıyor ve daha yüksek hız aşırtma kabiliyetine sahip.

Ampere yongaların Samsung’un 8nm üretim tesislerinden çıktığını biliyoruz. Bazı bilgilere göre ilk parti yongaların %30’u Bin 0, %60’ı Bin 1 ve %10’u Bin 2 sınıfına dahil edilmiş. Samsung’un üretim süresi kısaydı ve üretimin üzerinde çalışmaları için zaman kısıtlıydı. Bu sebepten ötürü belirtilen değerler kısıtlı zaman göz önüne alındığında gayet iyi. Ancak dökümhaneler zaman geçtikçe üretimde verimliliği artırıyor.

Perakendeciler

Bilgi işlem alanındaki pek çok terim gibi “chip binning” terimi de orijinal anlamından farklı şekilde kullanılmaya başladı. Perakendeciler bazen seçilmiş özel CPU’ları “binned CPU, yani gruplandırılmış CPU” olarak satabiliyor. Bu sürecin nasıl işlediğini tam olarak bilmiyoruz, ancak tedarik edilen bu çipler ayrı ayrı test ediliyor (hız aşırtma veya düşük voltaj) olabilir. Perakendeciler de bunları “binned” olarak sınırlandırabiliyor. Doğal olarak, tüm bu ekstra testler zaman ve çabaya mal oluyor ki bu da ürünün fiyatını yükseltecektir.

Bilgisayarınızda, telefonunuzda veya otomobilinizde kullanılan her çip bir tür seçim sürecinden geçmiştir. Ancak çoğumuzun seçim şansı yok ve kutudan çıktığı haline razı gelmemiz gerekiyor.