Yazı dizisi: 'Bütün 65nm ve 55nm nVidia chipleri kusurlu'

saidakkas · 2008-09-03T05:43:53.0000000+03:00

Evet arkadaşlar, efsanevi, dev yazı dizisinin ilk bölümü, tabi kalan kısmını da yetiştirmeye vakit ve takat yetiştirmek nasip olursa. Chip üretimiyle ilgili başka yerde okuyamayacağınız teknik bilgilere hasretseniz, sizi okumaya davet ediyorum. Güncelleme: Bölüm 2 eklendi. Bölüm 3 (sonuncu bölüm) eklendi. Neden nVidia’nın chipleri kusurlu? Bölüm 1 – Uzun ve karışık bir hikaye Charlie Demerjian, 1 Eylül 2008 nVidia yakın zamanda chiplerinin kötü olmadığını anlatıp durdu ve insanlara problemin neden kaynaklandığını anlatan sebepler söyledi. Malesef, bu samimiyetsiz yarı-gerçekler neden bu problemin olduğuna dair açıklamaya dayanak olamıyor. Sorun son derece karışık ve basit bir açıklama ile ifade edilemez. Birtakım kötü seçimlerden, birtakım mühendislik hatalarından, ve muhtemelen birkaç kötü hesaplama seçiminden ileri geliyor. Bu kısım şöyle isimlendirilebilirdi: “Chip nasıl bağlanır, bilmek isteyeceğinizden daha fazlası ve ardından biraz: Bir iş nasıl yapılmaz?” Fakat işin bilim ve teknik kısmını, anlaşılabilirliğini arttırmak için olabildiğince basitleştireceğiz, bu yüzden bazı şeyler aşırı basitleştirilmiş olabilir. Kusurlu parçalar, istisnası olmaksızın, nVidia’nin bütün 65nm ve 55nm işlem sürecinden geçen chiplerini etkilemişe benziyor. Soru bu parçaların kusurlu olup olmadığı değil, basitçe her ürün çizgisindeki arıza yapma oranları, alan raporlarıyla anlaşılıyor ki bazı parçaların %40 lara varan beklenen ömründen erken arıza yüzdesi var. Bu kesinlikle kabul edilebilir değil. Arızaların en son sonucu ise, gövde ile bağlantısı arasında kırılma, (bağlantı ile zar arasında değil) . Bu sinyal iletim noktasının başına geldiği zaman, GPU ya da MCP ölüyor. Birleşme noktası nedir, zar nedir, gövde nedir? Bu neden oluyor? Bu uzun ve teknik bir hikaye. http://img165.imageshack.us/img165/118/cntopviewjx4.jpg Bir Via CN chipi, ortasındaki zara dikkat edin İlk önce, biraz terminoloji ile başlayalım, burada sevimli ve yetenekli Via CN/Nano chipi ile görselleştirildi. Gördüğünüz gibi, çipin tüm paketi, neredeyse çeyrek dolar kadar yer tutuyor. En önemli kısım ise merkezdeki siyah kare, zar, ya da silicon chipin ta kendisi. Etrafındaki yeşil fiberglass gibi kısım ise gövde, karmaşık çoklu katman organik materyalden oluşur ve tepedeki yataktan alttaki pinlere doğru sinyalleri yönlendirir ve zar için bir tutunma noktası olarak iş görür ve bazı pasif devre elemanları için. Onlar kenarlarında gördüğünüz küçük gümüşümsü şeyler. Zarın kendisinin kenarları kaba görünüyor, ama aslında köşelidir. 90 derecelik dört köşesi vardır, neredeyse karedir. Bazıları, mesela Intel Atom gibi, daha çok dikdörtgendir. Kenarlardaki bulanık maddeye ise dolgu denir, kenarlardan sızan tutkal gibi görünür, zarın gövde bağlantılarına tutunmasına mekanik destek olur ve bağlantı noktalarını nemden koruyucu bariyerdir. http://img55.imageshack.us/img55/4679/cnsideviewib2.jpg Via CN yaklaşık olarak bir çeyreklik kalınlığında Göremediğiniz kısımlar bağlantı noktalarıdır, en önemli kısımdır. Bu tip üretim/paketleme flip-chip olarak anılır çünkü zar ve gövde arasındaki konnektörler zarın altına koyulmuştur, ve gövde üzerine ters kapatılarak tutturulur. Konnektörler, bağlantı noktası olarak anılır, aslında küçük lehim toplarıdır. Bir santimetreden uzun yana sahip sıradan bir chip, 1000’den fazla bağlantı noktasına sahip olabilir, bu yüzden aralıklandırma son derece küçüktür ve tolerans şaşırtıcı derecede azdır. Gördüğünüz gibi, paket çeyreklik ile aynı yükseklikte neredeyse, bu yüzden dikey toleranslar da oldukça incedir. Bağlantı noktaları normal bir chipte pinler gibi görev alır, sinyalleri, besleme ve şaseyi zardan alır verirler. Ayrıca zarın gövdeye tutturulmasında birincil mekanizmadır. Bu şeyleri biraraya getirirken gereken isabet küçümsenmemeli. Onlar küçük oyunumuzdaki en büyük oyuncular, şimdi bazı basit fizik kurallarına ve ilgili bilime geçelim. Chipler güç tüketir, dönüş olarak size ısı ve doğru yerlere giden birkaç elektron verirler, arasıra size ani bir ışıma ve duman da verirler, ama birkaç chip bunu iki kere yapabilir. Sıcaklık istenen bir ürün değildir, sonuçtur, uzaklaştırılması gerekir yoksa kötü şeyler olur. Modern chipler, chipin farklı kısımları farklı oranlarda güç kullandığından, düzenli olmayan şekilde elektrik tüketirler. Bazen chipin kısımları işyükü verilmezse hiç kullanılmaz. Modern bir GPU’nuz varsa ve oyun oynamıyorsanız veya Vista kullanmayacak kadar akıllıysanız, 3D işlemlerini yapan transistörlerine muhtemelen hiç dokunmazsınız. Şu şekilde düşünün, chip üzerinde soğuk alanlar olduğu gibi sıcak alanlar da vardır, düzensizdir ve sürekli değişir. http://img240.imageshack.us/img240/1245/guessthechipthermalpicnp3.jpg Çok çekirdekli bir işlemcinin sıradan bir kızılötesi fotoğrafı Bu gerçeğe bağlı olarak, chip elektriği belli bir biçimi olmadan kullanır. Ağır yük altında çalışan kısımlar, çalışmayan kısımlardan çok daha fazla akım çeker ve bir kere daha, bu parçalar zamanla değişir. Bazı bağlantı noktaları çok amper çeker, bazıları birkaç, ve yeniden bu zamanla ve kullanımla değişir. Ayrıca bağlantı noktalarının da her birinin sınırlı bir akım çekme kapsitesi vardır, çok çekilirse erirler veya yanarlar, bu yüzden chipe güç sağlarken titiz davranmak gerekir. Anafikir, hiçbir bağlantı noktasının üstesinden gelebileceği maksimum akıma asla ulaşmamasından emin olmaktır. Bu da çok güç kullanan noktalarında zara daha fazla güç bağlantı noktası koymakla olur ortalama akım çeken yerlere nazaran. Eğer işler doğru yapılmışsa, hiçbir bağlantı noktası, hiçbir zaman verebileceği maksimum akımı geçemez. nVidia’nın kusurlu chiplerinde yüksek kurşunlu tip bağlantı kullanılıyor, ve şu an ötetik denilen tipe geçiyorlar üretimde. Ötetik maddelerin iki özellikleri vardır, düşük bir erime noktaları vardır, ve bütün bileşenler aynı sıcaklıkta kristalize olur. Bu, çalışması daha kolay olduğu anlamına geliyor ki iyi sağlam bir bağlantı oluşturulabilsin. Ötetik bağlantılar içinde kurşun bulundurabilir, bulundurmaya da bilinir, bazıları altın/kalaydır, diğerleri kurşun bazlıdır, istediğiniz karakteristiklere göre değişir, ve ne kadar para ödemek istediğinize göre. Bu bir özelliktir, formül değil. Hepsi olmasa da çoğu gövde ötetik yataklar kullanır bağlantıları için de.Eğer ötetik bir yatağı ötetik bir bağlantı ile kullanırsanız, yüksek kurşunlu bağlantı ile ötetik yatak üzerinde elde ettiğinizden çok daha iyi bir bağlantı elde edersiniz. Bu çok daha yüksek üretim verimi, daha düşük montaj maliyetleri ve fiziksel olarak da daha iyi bağlantı olarak yansır. Şu anda, nVidia’nın neden ötetik yatak üzerinde yüksek kurşunlu bağlantı kullanmayı seçtiğine dair iyi bir izahımız yok. Yüksek kurşunlu bağlantılar, ötetik bağlantılardan çok daha yüksek akım kapasitesine sahiptir. Güç ötetik bağlantılardan geçtiğinde electromigration (akımın yol açtığı iyonlaşma yüzünden kütlenin zamanla yer değiştirmesi) denilen bir etki olur ve bağlantıda boşluklara sebep olur. Bu boşluklar bağlantının akım taşıma kapasitesini azaltır ve eninde sonunda yanmaya sebebiyet verir. Ötetik bağlantıdan ne kadar çok akım geçirirseniz, o kadar hızlı şekilde electromigration etkisi görülür. Eğer akımı makul bir seviyeye çekerseniz, bunun oluşması çok uzun zaman alır ve endişelenmeye değmez. İşte bu yüzden chip üreticileri, voltajı yükseltmenin ürünün ömrünü azaltacağını söyler, gerçekten onların daha çabuk yanmasına sebebiyet verir. İyi tarafından bakarsak, ötetik bağlantılar yüksek kurşunludan genel olarak daha esnektir. Bu da onların baskıya biraz daha dayanıklı olduğu anlamına gelir. Yüksek kurşunlu bağlantıyı kıracak bazı zorlamalar, ötetik tarafından sorunsuz bir şekilde emilebilir. Bağlantılar, geneline bakıldığında, maliyet, montaj verimi, akım kapasitesi ve diğer şeylerde mekanik esneklik arasında bir değiş-tokuştur. Bunu karmaşık olarak nitelendirmek son derece kibar olur, paketleme mühendisliği korkaklara göre değildir. Bağlantı özelliklerinden, materyallerin termal genişlemelerine geçiyoruz, ve bu da bir diğer çözülmesi gereken bilmecedir. Birçok madde ısınınca genişler. Sıkışmış bir civatayı sökmeye çalışan birini gördüyseniz, genelde somunu alev ile ısıtırlar, bu da somunu genişletir ve gevşetir. Aynısı zar ve gövdeye de olur. Söz konusu chip ise, biraz ısınır ve genişler. Genişleme çok değildir ama ölçülebilir. Gövde de ayrıca ısınır ve genişler. Sorun şu ki, ilk zar ısınır, ardından ikinci olarak gövdeyi ısıtır. Zardaki silikon ile gövdenin ısıya bağlı genişlemeleri farklı oranlara sahiptir, basitçe farklı oranlarda büyürler. İşleri biraz daha karıştırmak için hatırlatalım, yukarıda geçen düzensiz ve değişken ısınmayı hatırladınız mı? Zarın bir kısmı ısınır ve diğerlerinden farklı olarak genişler. Bu da kullanımda iken çok çabuk değişir. Sonuç? Bağlantı çok baskıya maruz kalır ve saniyeden saniyeye değişir. Bu çok isabetli bir şekilde simüle edilebilir, daha düşük termal genişleme olacak şekilde yerleştirirsiniz ve bu sayede daha az baskı oluşur. Burada ve orada bir güç bağlantısını kaybederseniz, chip muhtemelen hayatta kalır, ama sinyal bağlantısını kaybederseniz, oyun biter. İşte bu yüzden bağlantı yerleşimi çok önemlidir. Hangi bağlantının nereye gideceğini tasarlamak çok karmaşık bir işlemdir, temel olarak chip çıktığında yapılır, geliştirme sürecinin sonuna yakında. Onları kafanıza göre yapamazsınız, şekli hoşunuza gittiği için güzel desenler yapamazsınız, potansiyel hasarı en aza indirgemek için bilimsel olarak yaparsınız. Baskı meselesine geri dönersek, bağlantıda kırığa yol açan budur. Eski, çatalı alıp da ileri geri bükme numarasını düşünün. Birkaç kere bükülür, ardından kırılır. Aynı şey bağlantılara da olur. Isınma baskıya götürür, diğer adıyla eğilmeye, ardından soğur ve eski haline döner. En sonunda bu termal döngü chipleri öldürür. Tekrar hatırlatmak gerekirse, eğer mühendisliğinizi doğru yaptıysanız, insanların dert edeceği bir zaman aralığında meydana gelmeyecek, eğer meydana gelmesi için on yıl aç kapa anahtarlaması gerekiyorsa, bir günlük döngü hayatımızda sorun teşkil etmeyecek. Chip üreticileri on yıllık çizgisinde tasarlamaya eğilimliler, ve normal kullanımda beş yıl bozulmayacağını kabul etmek çok güvenlidir. Eğer hatırlarsanız, yüksek kurşunlu bağlantılar ötetikten daha az esnek ve baskı sebepli kırılmalara daha eğilimlidir. Yüksek kurşundan ötetik gövdeye bağlantı da ayrıca ötetikten ötetiğe bağlantıdan daha zayıftır. Şu an nVidia’nın ceremesini çektiği şey ise gövdeden bağlantıya olan kısımda kırılma ve chiplerin ölmesi. Yüksek kurşunlu bağlantılar bu uygulamada kötü bir seçim. Bu karmaşlıklığın içine getireceğimiz bir diğer şey de dolgu. Eğer işler ısınmanın kurşunu kırması kadar basit olsaydı, hiçbir chip herhangi bir zaman uzunluğunda çalışmazdı. Dolgu sadece nemden ve kirlenmeden korumuyor, ayrıca mekanik destek de sağlıyor. Bağlantıların maruz kaldığı baskının birazını almak üzere tasarlanıyor ve onların daha uzun süre yaşamasını sağlıyor. Dolgu, kaya gibi sertten, yumuşak ve lastik gibiye kadar, uygulamanıza bağlı olarak değişebilir. Dolgu sertleştikçe, daha çok mekanik destek sağlar ve bağlantılar daha az baskıya maruz kalır. Yeterince basit. Bu bizi başka bir materyale, poliamit tabakaya getiriyor. Chiplerde low-K dielektrik materyale geçildiğinde, ki high-K kapı materyali ile aynı değildir, paketleme, bağlantılar ve dolgu ile probleme yol açtı. Çözüm polamit bir tabaka koymaktı chipin altına, bazen baskı (stres) tabakası olarak anılır. Bu kirlenmeden ve mekanik hasardan korur. Eğer çok yumuşak bir dolgu seçerseniz, bağlantılar için yeterince mekanik destek sağlamaz ve bağlantılar kırılır, ve erkenden chipiniz ölür. Çok sert bir tane seçin, bu sefer de poliamit tabakayı yırtar. Bu makale için konuşulan bir paketleme mühendisinin deyimiyle, çok sert bir dolgu kullandıysanız, chip “ilk termal döngüyü bile sağ atlatamaz”. Sihir ikisinin ortasında, bir kâse yulaf lapası alıyorsunuz... aman... dolgu, ihtiyacınız olan desteği sağlayacak kadar güçlü, fakat chipinizin tabakalarını yırtmayacak kadar da zayıf. Dediğimiz gibi, paket mühendisliği korkaklara göre bir iş değil. Bu bizi 1.000.000.000 $’ lık soruya getiriyor, neden basitçe bağlantı tiplerini ötetiğine değiştirmeyesiniz eğer onlar çok daha iyiyse, ki iyiler bazı yönlerden. Yanıt akım kapasitesinde, daha da belirgin konuşmak gerekirse ortalama akım kapasitesinde. Bundan daha önce bahsetmiştik, mesele sıcak bölgelere ve fonksiyonel birimlere bağlı. Varsayalım ki, tamsayı ve kayarnokta birimleri olan basit bir işlemci aldınız. Eğer ağır bir şekilde tamsayı işi yapıyorsanız, chipin o kısmındaki güç besleme bağlantıları ağır yük altına girecek ve kayarnokta bağlantıları pek birşey yapmıyor olacak. Kayarnokta ağır yük aldığındaysa , tam tersi... Bağlantıların yerleşimi öyle tasarlanıyor ki, her iki şekilde de tepe noktasına kadar aşırı yüklenmeyecek ve aslında, maksimumlarına o kadar yaklaşmayacaklar da. Rastgele rakamlarla örnek vermek gerekirse, bağlantının 1000mA tepe kapasitesi olsun, uzun ömürlü olması için 800mA’i geçmesini istemiyorsunuz, basitçe %20 pay bırakıyorsunuz. Eğer chipin TDP’si, bağlantı noktası adedine bölünürse, mesela bağlantı başına 200mA ortalama akım olsun, muhtemelen birçok bağlantı 100mA çekerken, yük altındaki alanlardaki birkaçı 600mA çeker. Çekilen akım, chipin yaptığı işe göre yer değiştirir. Bazıları hiç 100mA i geçmez, diğerleri bütün yaşamları boyunca 600mA’de olabilir. Hepsi de ortalama 800mA’in altında iyidir, 1000mA maksimumunun çok daha altında... Ötetik bağlantıların sorunu şu ki, daha düşük akım kapasitesine sahiptirler, sınıra ne kadar yaklaşırsanız, electromigration sorunu daha da kötüleşir. Farzedelim ki tepe kapasitesi 500mA olan bir ötetik bağlantı alalım, ve yine %20 güvenlik farkı olsun, 400mA de maksimum ömür için. Eğer nVidia, burada ötetik ile yüksek kurşunlu bağlantıları değiştirmek isterse, küçük bir sorun var, onlar yeni bağlantıların kapasitesinin hayli üzerindeler. Eğer chip duman yaymadan güç yüklenebilirse, ilk kez Telengard gibi büyük ve ağır bir oyun açtığınızda, garanti patlar. Nadiren olduğu şekilde eğer şans sizden yanaysa aniden ızgara olmaz, electromigration ömrünün kelebek kadar olmasını garantiler, yani basitçe, nVidia’nın şu anki kusurlu chiplerinden daha kötüsü. Ne yaparsınız? Ya GPU’nun gücünü çok aşağıya çekip, saat hızını da hiç kimsenin satın almayacağı seviyeye indirirsiniz, ya da bağlantıları tekrar düzenlersiniz. Yeniden düzenlemek o kadar kolay bir iş değil, chipin büyük parçalarında yer değiştirmeyi gerektirebilir, basitçe, kısmi bir yeniden yerleşim. Bu pahalıdır, zaman harcatır, ve satışta olan bir chip için yapılabilecek birşey değildir. Diğer seçenek de bir o kadar kötü, zar üzerine bir besleme ağı koymanız gerekir. Bu, zar üzerinde güç dağıtan metal bir tabakadır, chipe bir tabaka daha eklemek anlamına gelir. Bu da, masraf, daha az verim anlamına gelir ve çekilen güç ve saat frekansına zararlı etkilere sebep olur. Eğer GPU’yu yapmaya başladığınızda bunu görürseniz, bütün bunlarla başedilebilir. Oldukça acıklı olarak kesin ki nVidia göremedi, yoksa yüksek kurşun bağlantı kullanıp şu anki hallerine düşmezlerdi. Ötetik bağlantıya geçtiler, ama yapıldığı yola bakarsak, ve duyduğumuz tedarikçi şikayetlerine, görünüşe göre çok kötü planlanmış. Bu yeni parçaların ömrünün ne olduğunu görmek ilginç olacak. 1. Bölümün sonu. Kaynak Not: Birebir tercüme değildir, deyimlerde ve kullanılan dilimizde karşılığı olmayan söylemlerde, anlatılan dildeki mananın Türkçe’deki muadili kullanılmıştır. Bazı teknik terimler ise basitleştirilmiştir, Türkçe’de karşılığı yoktur, tercümesi ise boşluğunu doldurmaz, kafa karıştırır, uzun uzadıya anlamı, açıklaması var ama takdir edersiniz ki yer vermesi imkansız. Substrate, bump gibi... Not2: Teknik bilgi bakımından CPU'ları da ilgilendiriyor bu yazı. Zaten okuduğunuzda anlarsınız, nasıl oluyor da, aynı nanometrede iyileştirilmeler ile energy efficent modeller çıkarılabiliyor (bkz: 90nm EE X2 45W AMD CPU), güç tüketimi çok düşürülüyor. Herşey tasarımı nakış ile adeta ince ince dokumaya bağlı.

Şahi_13

Yüzbaşı

493 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

saidakkas

Yarbay

3672 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

Şahi_13

Yüzbaşı

493 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

saidakkas

Yarbay

3672 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

Şahi_13

Yüzbaşı

493 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

AndryTR

Yarbay

2949 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

Şahi_13

Yüzbaşı

493 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

saidakkas

Yarbay

3672 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

yimmasabi

Binbaşı

1449 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

saidakkas

Yarbay

3672 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

quote:

Orjinalden alıntı: saidakkas

quote:

Orjinalden alıntı: Azimkar
benim merak ettiğim Nvidia'nın ( ve ATI'nin ) çiplerini yapan TSMC ne diyor bu işe ?

http://www.theinquirer.net/gb/inquirer/news/2008/07/07/nvidia-meltdown-blame-game

Onu bilmem de, bu yazıyı okuduktan sonra, nVidia hakkında TSMC'nin bir sonraki üretim sürecinde ne kadar şefkatli olacağı konusunda kuşkuluyum.

Yazının bi kısmını tercüme edeyim:

Tedarikçiler nVidia için bir sorun her şeye rağmen, en azından şimdilik. Tedarikçilerinizi böylesine kötülemek tehlikeli birşey, onların nVidia'ya duyduğundan çok, nVidia onlara muhtaç. Bir sonraki nm küçülme üretim sürecinde kim ne kadar kota alacak tartıştıkları sırada ve bu işleme ne kadar para ödeyecekleri (AMD-ATi ve nVidia'nın) , oluşacak sahneyi gözünüzde canlandırabilir misiniz?

TSMC Planlayıcısı 1: nVidia'ya aylık kaç wafer ayıracağız?

TSMC Planlayıcısı 2: 40nm üretim süreci ilk başta sıkışık görünüyor, değil mi?

TSMC Planlayıcısı 1: Evet, gerçekten.

TSMC Planlayıcısı 2: nVidia'nın, önüne gelene bizim için ... dediği zamanı hatırlıyor musun? O kadar da eğlenceli değildi.
(Sansürlenen için şöyle demişler inquirer da, [male rooster euphemism][oral suction euphemism]s , cock suckers anlamı çıkıyor buradan)

TSMC Planlayıcısı 1: O yüzden 4 tane ayırıyoruz?

TSMC Planlayıcısı 2: 4 bin? Çok değil mi?

TSMC Planlayıcısı 1: Hayır, dört.

---

Bu eğlenceli yazıyı da tercüme edip koyabilirim aslında.

İşin bir de notebook üreticileri yönü var.

Birkaç yıl sonra skandal diye anılacak şeyler olursa şaşırmayın.

TSMC makes Nvidia late to 40nm
Written by Fuad Abazovic
Friday, 26 September 2008 10:11

A real issue

TSMC is causing some serious issues for Nvidia and partially for ATI. Nvidia planned to move most of its chips from 55nm to 40nm as soon as 40nm is available, but it looks that TSMC cannot meet its schedules.

The 40nm production of graphic wafers was scheduled for early 2009 and now its at least pushed for a few months back. Nvidia wanted to try to be the first with 40nm chips and finally bream the story where ATI is always the first to transition to a new process.

This delay will affect Nvidia more than ATI as with 55nm products, especially in entry level and mainstream ATI holds the price / performance crown and it doesn't really have to rush to a new process. On the other hand, if Nvidia wants the performance crown back, it has to go to 40nm and try to make new and smart chips as soon as possible.

We can confirm that both Nvidia and ATI are shrinking from 55nm to 40 nm as this is the right step and 2009 might be remembered as graphic chip transistors might be smaller than the 45nm that will be used in 2009 for CPUs. This won’t last much as in late 2009 Intel plans to launch some 32nm chips but this is only if it can meet its own schedules.

TSMC, nVidia'ya daha geç verecek 40nm teknolojisini....

Yarr

Yarbay

2250 Mesaj

Tüm Başarılarını Gör

Yazı dizisi: 'Bütün 65nm ve 55nm nVidia chipleri kusurlu' (5. sayfa)