Anh em chơi phần cứng PC hẳn đã có lần nghe đến cụm từ “trúng silicon lottery”, ám chỉ việc mua được một con chip xử lý bin ngon, ép xung đạt kết quả xung nhịp cao hơn, nhưng tốn ít điện và tỏa ít nhiệt hơn so với những chip cùng model khác trên thị trường. Có một sự thật nhiều anh em đã biết, đó là không phải die chip xử lý nào cũng giống hệt nhau, dù bên ngoài vỏ vẫn là Core i5-10600K hay Ryzen 5 5600X.
Thế thì chip binning nghĩa là gì? Vì sao có những chip xử lý ép xung ngon hơn so với mặt bằng chung? Và “trúng số silicon” có còn quan trọng như xưa nữa không?
Mọi con chip bán dẫn đều được làm từ một chất liệu, silicon nguyên chất, kẹp thêm vài lớp kim loại, vách ngăn và chất liệu bán dẫn khác. Từ những chất liệu ấy, các fab chế tác chip xử lý tạo ra được từ CPU, chip DRAM cho tới GPU anh em đang sử dụng hàng ngày. Toàn bộ quá trình ấy nếu viết cụ thể ra, sẽ có nhiều anh em không tin vì cứ tưởng đang mô tả quy trình sản xuất đồ trong phim khoa học viễn tưởng. Nhưng đó là thực tế vài năm nay, khi con người biết cách dùng tia cực tím để “dạy cát làm toán,” một cụm từ mình rất thích do ông thầy dạy nguyên lý hệ điều hành hồi năm 2 đại học ví von. Toàn bộ quy trình ấy được triển khai ở quy mô cực lớn, trong những nhà máy có giá trị lên tới hàng tỷ USD, tính cả giá trị máy móc thiết bị lẫn chi phí nghiên cứu công nghệ.
Thế thì chip binning nghĩa là gì? Vì sao có những chip xử lý ép xung ngon hơn so với mặt bằng chung? Và “trúng số silicon” có còn quan trọng như xưa nữa không?
Từ Wafer đến die CPU
Mọi con chip bán dẫn đều được làm từ một chất liệu, silicon nguyên chất, kẹp thêm vài lớp kim loại, vách ngăn và chất liệu bán dẫn khác. Từ những chất liệu ấy, các fab chế tác chip xử lý tạo ra được từ CPU, chip DRAM cho tới GPU anh em đang sử dụng hàng ngày. Toàn bộ quá trình ấy nếu viết cụ thể ra, sẽ có nhiều anh em không tin vì cứ tưởng đang mô tả quy trình sản xuất đồ trong phim khoa học viễn tưởng. Nhưng đó là thực tế vài năm nay, khi con người biết cách dùng tia cực tím để “dạy cát làm toán,” một cụm từ mình rất thích do ông thầy dạy nguyên lý hệ điều hành hồi năm 2 đại học ví von. Toàn bộ quy trình ấy được triển khai ở quy mô cực lớn, trong những nhà máy có giá trị lên tới hàng tỷ USD, tính cả giá trị máy móc thiết bị lẫn chi phí nghiên cứu công nghệ.
Những đĩa silicon nguyên chất tạo ra từ các fab gọi là wafer. Các đơn vị khổng lồ như TSMC, GlobalFoundries và Intel tạo ra hàng triệu tấm wafer mỗi năm. Trong nhà máy của họ, những thiết bị có độ chính xác tính theo nano mét được ứng dụng để tạo ra những sản phẩm đáp ứng yêu cầu sai số ở mức rất nhỏ, từ đó tạo ra những con chip xử lý chính xác theo thiết kế của kỹ sư các hãng như Apple hay AMD.
Để giữ sự chính xác ở mức độ cao nhất, phòng “in chip” của các fab đều cố gắng tạo ra môi trường có áp suất riêng để vi khuẩn và bụi bặm không bám được vào những tấm silicon nguyên chất. Nhân sự các fab phải mặc đồ bảo hộ, để đảm bảo tóc và tế bào da của họ không vô tình rơi vào những tấm wafer đắt giá. Mỗi tấm wafer như thế này có chi phí sản xuất hàng nghìn USD, tốn hàng tháng trời từ khâu chọn nguyên liệu đầu vào cho đến khi một tấm wafer được “in” hoàn chỉnh. Trên đó là hàng chục, thậm chí hàng trăm die chip bán dẫn. Có die biến thành Core i9, có die trở thành Apple M1 Max, cũng có die trở thành một con chip DRAM trong máy tính. Chúng sẽ được cắt ra để giao cho đối tác đặt hàng.
Để “cưa” những die chip bán dẫn ra khỏi wafer, fab chế tác dùng cưa kim cương. Nhưng vì vài lý do trong quá trình sản xuất, một phần bề mặt die trên wafer chip bán dẫn sẽ trở nên vô cùng. Lấy ví dụ những die chip ở cạnh tròn rìa ngoài tấm wafer coi như bỏ đi vì không hoàn thiện, số khác thì gặp lỗi trong quá trình sản xuất dẫn tới việc không đạt chuẩn thiết kế đặt ra ban đầu. Ước chừng có khoảng 5 đến 25% lượng die trên một tấm wafer bị bỏ đi. Con số này phụ thuộc nhiều vào kích thước mỗi die chip. Ví dụ die CPU thì nhỏ hơn nhiều so với những GPU cao cấp nhất hiện tại chẳng hạn.
Những die CPU đạt chuẩn sau đó được đặt lên gói mạch điện đã được thiết kế sẵn, rồi áp bề mặt tản nhiệt lên nếu cần, và chúng được bán ra thị trường dưới dạng những chip CPU tiêu dùng anh em mua về bỏ vào mainboard, hoặc được hàn chết trên bo mạch của những chiếc máy tính xách tay.
Mọi nhân CPU đều bình đẳng, nhưng có vài nhân bình đẳng hơn số còn lại
Đó là thực tế. Cũng là Core i9-10900K, nhưng có chip ép xung tốn ít điện hơn, tỏa ít nhiệt hơn so với những CPU 10900K khác. Nếu đã từng xem những clip delid tấm IHS kim loại, thứ dẫn truyền nhiệt từ die CPU vào tản nhiệt ngoài, anh em có lẽ cũng đã biết die của con chip 10 nhân xử lý với GPU tích hợp trông như thế nào.
Trên die đó dưới kính hiển vi, hoặc dễ hơn thì là xem hình vẽ thiết kế kích thước lớn từ chính Intel, anh em sẽ thấy cả một thành phố với hàng tỷ transistor siêu nhỏ cùng vận hành với nhau một cách hòa hợp. Lấy ví dụ trong hình dưới đây, vị trí của cổng kết nối CPU với DRAM, cổng kết nối với các thiết bị input/output, bộ nhớ đệm và GPU đều được liệt kê cụ thể. Trừ phi anh em mua những chip Core dòng F không có GPU, thì cả ba phần trên đều xuất hiện trên mọi CPU của Intel, bất chấp số nhân số luồng của sản phẩm đó. Giữa những cổng kết nối bán dẫn đó là các nhân xử lý. Mỗi nhân có thiết kế giống y hệt nhau để truyền thông tin, xử lý thông tin, cũng như dự đoán những tác vụ chúng sẽ phải làm để xử lý nhanh hơn.
Quảng cáo
Vì chi phí sản xuất wafer chip bán dẫn quá lớn, sẽ là ngốc nghếch khi Intel sản xuất mỗi loại chip trên một tấm wafer nhất định. Có thể có 1 die không đạt chuẩn để trở thành 10900K, hỏng mất đôi nhân xử lý. Nó sẽ biến thành i7-10700K. Nếu die đó hỏng GPU thì sẽ trở thành i7-10700KF. Nếu không đạt khả năng mở khóa ép xung như yêu cầu thì nó sẽ trở thành i7-10700 hoặc 10700F, nếu hỏng nốt cả GPU. Quá trình quản lý chất lượng chip trên một wafer cứ tiếp diễn như thế. Có khi một die i9-10900K lỗi có thể biến thành Core i5-10400F 6 nhân 12 luồng. Cụ thể một die i9-10900K trên một tấm wafer có thể biến thành những sản phẩm thương mại như sau:
Xung nhịp gốc, đo bằng GHz, là tần số vận hành tối thiểu con chip có thể chạy được. Turbo đa nhân là tần số vận hành tối đa tất cả các nhân chip xử lý trong CPU có thể chạy được, nhưng chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Tương tự như vậy với Turbo Boost, đây là xung nhịp tối đa mà 2 trong số tất cả các nhân xử lý của thế hệ CPU này có thể vận hành trong một khoảng thời gian ngắn.
PL1 TDP là viết tắt của Power Level 1 - Thermal Design Power. Con số này tính theo đơn vị watt, mô tả lượng nhiệt năng tỏa ra từ CPU khi con chip chạy ở xung nhịp gốc. Điều không phải anh em nào cũng biết là ở xung nhịp cao hơn, CPU có thể tỏa ra nhiều nhiệt hơn con số TDP mà nhà sản xuất liệt kê trên hộp chip, tạo ra áp lực rất lớn đối với hệ thống tản nhiệt. May mắn là khi lắp chip vào bo mạch chủ, các nhà sản xuất cũng sẽ giới hạn lượng điện năng đầu vào CPU, từ đó kiểm soát nhiệt năng tỏa ra.
Cuối cùng là mấy chữ cái trong tên của các mẫu CPU. K ám chỉ chip được mở khóa, anh em có thể ép xung. F là bản CPU có GPU tích hợp bị vô hiệu hóa, cắm vào phải kèm card đồ họa để xuất hình ảnh ra màn. Cuối cùng T là phiên bản tiêu thụ điện thấp.
Quảng cáo
Câu hỏi được đặt ra là, vì sao cùng một die silicon mà Intel có thể biến nó thành một trong số… 19 mẫu mã CPU khác nhau trên thị trường?
Câu trả lời nằm ở chính dây chuyền của các fab chế tác chip bán dẫn. Dù những dây chuyền ấy là một trong những kỳ quan công nghệ đích thực của con người hiện giờ, nhưng chúng không vận hành hoàn hảo 100 phần trăm. Luôn có những lỗi chế tác ở kích thước nano mét do bụi hay các mảnh vụn gây ra. Những mảnh vụn này có thể nằm trong chất liệu silicon sản xuất wafer, trong kim loại lót bề mặt die chip, hoặc trong chính máy móc chế tác. Không có tấm wafer silicon nào nguyên chất tròn 100% cả.
Sản xuất ra những thứ nhỏ đến mức phải dùng kính hiển vi electron để xem hình dáng chính xác, thì tỷ lệ tạo ra những sản phẩm lỗi luôn tồn tại. Ở kích thước đó, một sai khác rất nhỏ cũng có thể vô hiệu hóa cả một nhân xử lý trong die chip, ảnh hưởng đến kết cấu hòa hợp của toàn bộ thiết kế ban đầu. Những con chip gặp lỗi trên một bề mặt wafer như vậy gọi là “defects.”
Không phải lỗi nào cũng khiến die chip xử lý vô dụng hoàn toàn. Có thể lỗi đó chỉ khiến con chip thương mại hóa chạy nóng hơn. Nhưng cũng có lỗi tương đối nghiêm trọng, đến mức cả một khu vực cụ thể của die chip trở thành vô dụng. Để giải quyết vấn đề này, đầu tiên các đơn vị như TSMC hay GlobalFoundries sẽ quét để tìm những lỗi trên bề mặt wafer sau khi sản xuất, trước khi từng die chip được cắt khỏi tấm wafer tròn. Những die chip hoặc thậm chí toàn bộ tấm wafer gặp lỗi sẽ được để sang một bên để xem xét kỹ lưỡng sau đó. Một tấm wafer sau khi sản xuất có giá trị khoảng từ 10 đến 16 nghìn USD tùy tiến trình sử dụng, không hãng nào muốn vứt đi trừ phi nó gặp lỗi quá nghiêm trọng.
Sau khi cắt từng die chip ra, tất cả chúng sẽ lại tiếp tục trải qua một quá trình kiểm định chất lượng nữa.
Đãi cát tìm vàng
Khi Intel và các đơn vị khác kiểm định chất lượng chip bán dẫn sau khi cắt die khỏi wafer, họ sẽ để từng con chip chạy ở mức điện và xung nhịp cố định, vận hành chúng chạy những bài benchmark cụ thể được tạo ra để xác định khả năng vận hành của toàn bộ chip xử lý, cùng lúc xác định điện năng tiêu thụ và nhiệt năng tỏa ra. Những con chip lỗi cũng trải qua quá trình tương tự, nhưng trước khi làm điều đó, các hãng sẽ phải làm một bước nữa, đó là kiểm tra thêm để biết chính xác phần nào của chip hoạt động tốt, phần nào vô dụng.
Từ đó chúng ta có khái niệm yield, tức là tỷ lệ chip đạt chuẩn trên một tấm wafer. Thông số này xác định tỷ lệ die chip có thể trở thành sản phẩm cao cấp nhất, bao nhiêu chip có thể làm sản phẩm tầm trung, bình dân, giá rẻ, v.v… Mỗi con chip đều có xung nhịp ổn định, điện năng tiêu thụ và nhiệt năng tỏa ra khác nhau. Quá trình này gọi là chip binning, tạm hiểu là đãi cát tìm vàng.
Dĩ nhiên không hãng nào bỏ hết die chip vào một cái sọt (bin) rồi nhặt nhạnh tìm kiếm chip nào tốt hơn chip nào dở hơn. Khái niệm này đến từ việc thống kê tỷ lệ, chia các die chip thành các nhóm, gọi là bin. Các nhóm này thống kê số nhân xử lý hoạt động tốt trên một die, tầm xung nhịp mà chip vận hành ổn định, và nhiệt năng tỏa ra trên từng quãng xung nhịp khác nhau. Lấy ví dụ hình dưới đây mô tả vị trí những lỗi sản xuất trên bề mặt die của một con chip Core i9-10900 được phát hiện sau khi được kiểm tra kỹ lưỡng:
Hai trong số 10 nhân xử lý gặp lỗi đức mức không thể vận hành theo ý muốn. Giải pháp của Intel rất đơn giản, đó là vô hiệu hóa luôn hai nhân này, biến nó thành một die chip Core i7-10700, và vì GPU cũng gặp lỗi, nó sẽ biến thành một mẫu Core i7-10700F vô hiệu hóa GPU tích hợp. Đó là trong trường hợp 8 nhân xử lý còn lại vận hành theo tiêu chuẩn Intel đã đặt ra với i7-10700. Nếu không đạt chuẩn, Intel sẽ vô hiệu hóa tiếp 2 nhân nữa, biến nó thành một mẫu Core i5.
Trong trường hợp của CPU Core thế hệ thứ 10, Intel dùng hai loại wafer khác nhau. Một loại dùng để sản xuất chip Core i9 và i7, và một loại dùng để sản xuất Core i5, i3, Pentium và Celeron. Loại thứ hai này in 6 nhân xử lý và tất cả các die trải qua quá trình chip binning để tạo ra những sản phẩm 6 nhân, 4 nhân và 2 nhân tương ứng. Nhưng nhu cầu thị trường đôi khi vượt qua khả năng sản xuất, và đôi khi vẫn sẽ có những con chip Core i5-10600K sử dụng die gốc 12 nhân bị vô hiệu hóa 6 mà đáng lẽ đã trở thành Core i9-10900. Thậm chí đôi khi những nhân xử lý hoàn toàn bình thường cũng bị vô hiệu hóa để đảm bảo sản lượng chip xuất xưởng.
Bản chất quá trình chip binning này giúp tỷ lệ chip đạt chuẩn trong quá trình chế tác chip bán dẫn tăng đáng kể, vì nó giúp tăng sản lượng chip đủ điều kiện thương mại hóa, dù ban đầu đó là những die chip gặp lỗi trong quá trình sử dụng. Cũng nhờ quy trình này, Intel không tốn hàng tỷ USD sản xuất mỗi loại chip trên một tấm wafer, để rồi phải thu hồi một lượng đáng kể chip lỗi, không đạt chuẩn chất lượng.
Binned chip có còn hấp dẫn như xưa không?
Sau khi Intel đã làm thao tác tổng hợp và liệt kê những mẫu CPU đạt chuẩn thương mại hóa và bán ra ngoài thị trường, thì đến lượt các đơn vị tư nhân thứ 3 làm tiếp một công đoạn nữa, đó là mua số lượng lớn các chip xử lý cùng một model, đem về thử nghiệm và ép xung để tìm ra mẫu nào có thể ép lên xung nhịp cao hơn, ăn ít điện hơn và tỏa ít nhiệt hơn. Quy trình này giống hệt những gì Intel hay AMD làm như được mô tả ở trên, chỉ là quy mô nhỏ hơn mà thôi. Sau đó họ bán những con chip đã được thử nghiệm kỹ lưỡng này ra thị trường với cái tên “binned chip.”
Khái niệm này khá dễ gây hiểu lầm. Để có thể bán ra thị trường, con chip nào cũng phải trải qua quá trình “binning” hết, chứ không phải chỉ những chip ép xung ngon, chạy mát mới được tuyển chọn như thế. Nhưng thông qua giai đoạn thử nghiệm kể trên, các đơn vị tự do như Silicon Lottery có thể kiếm thêm một khoản chênh lệch để bù vào chi phí thử nghiệm và tuyển chọn chip, từ đó kiếm lời từ những con chip mà Intel và AMD sản xuất ra.
Nhưng câu trả lời cho câu hỏi đặt ra ở trên nằm ngay ở việc Silicon Lottery vừa tuyên bố đóng cửa.
Đúng là vẫn luôn có những CPU có thể ép xung ngon hơn so với những con chip khác. Nhưng giờ đây các hãng như Intel hay AMD đều đã nhận ra tiềm năng của những con chip unlocked cho phép người dùng tự ép xung một cách dễ dàng thông qua UEFI BIOS. Chip Ryzen mẫu nào cũng mở khóa sẵn, dùng đúng bo mạch chủ là có thể ép xung. Còn Intel với cuộc đua hiệu năng cũng đang dần chạm đến ngưỡng giới hạn trần nhiệt và trần hiệu năng của mỗi chip CPU Core từ thế hệ thứ 10 đến nay.
Bản chất việc ép xung chip CPU cũng không còn đem lại quá nhiều lợi thế như xưa nữa.
Lấy ví dụ mình đang dùng một con Core i5-10600K, ép xung lên 5.0 GHz, chỉnh điện 1.225V. Cũng không hẳn con chip của mình là “trúng xổ số silicon”, nhưng chí ít nó cũng lên được 5.1 GHz ở mức điện 1.30V (AVX Offset -2) mà nhiệt năng tỏa ra vẫn cho phép tản nhiệt làm việc hiệu quả. Vấn đề nằm ở chỗ, ở tốc độ 5.0 GHz all core, chơi điện tử mình không thấy có quá nhiều thay đổi và lợi thế khi để stock con chip ở xung nhịp 4.5 GHz all core và turbo boost 4.8 GHz. Khác biệt từ 5 đến 7 khung hình mỗi giây là không đủ để mình chấp nhận để chip chạy ở tốc độ 5 GHz, so với lượng nhiệt năng quá lớn mà kiến trúc chip tiến trình 14nm của Intel tạo ra.
Chính bản thân Silicon Lottery cũng thừa nhận rằng trần hiệu năng ép xung của chip CPU x86 giờ đây không còn cách quá xa so với xung nhịp gốc và xung nhịp boost mà các hãng thiết lập sẵn nữa.
Vậy nên anh em yên tâm, có mua phải con chip ép xung không ngon thì cũng đừng vì thế mà buồn. Chí ít thì ở mức xung nhịp gốc không cần căn chỉnh gì, những con chip xử lý đó đều đã được hãng thử nghiệm rất kỹ lưỡng ở nhà máy rồi, và ngay cả ở xung nhịp stock, hiệu năng của một con chip cũng đang tiệm cận rất gần so với khả năng tối đa mà mẫu chip lý tưởng, “giải độc đắc xổ số silicon” có thể đạt được. Điều quan trọng hơn là máy chạy ổn định, tản nhiệt vận hành ưng ý, vậy là đủ.
Theo Techspot
