A explicação de vários conceitos de fabrico de chips de silício, e a afectação do rendimento de produção no custo

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Neste artigo vamos falar de varios conceitos ligados à produção de chips, bem como calcular mais ou menos a diferença de custos na produção do APU da Xbox série X, série S e PS5?

A wafer

Uma “wafer” é o nome dado à “bolacha” de silício sobre a qual os chips electrónicos são fabricados. Ela tem o aspecto da imagem que ilustra este artigo:

Esta bolacha tem o diâmetro de 30 cm (300 mm), sendo que tudo o que é produzido nela é pago de acordo com o espaço ocupado. E nesse sentido a relação entre a área de um chip e o seu preço acaba por ser proporcional.

E esse é igualmente o motivo pelo qual a mudança de litografia para uma menor, traz também reduções no custo de produção, uma vez que com a redução da área usada, cada wafer pode conter mais chips e o custo unitário desce.



Basicamente a relação acaba por ser relativamente linear.

Apesar desta linearidade, há no entanto que se ter em conta outros factores, que podem alterar a mesmo na parte dos ganhos de custos com a mudança de litografia. E esses factores passam pelos custos de produção, que podem alterar, e pelo número de transistores usados que passa igualmente a ser maior por unidade de área.

Nesse sentido a questão da poupança de área pela mudança de litografia, que se deveria traduzir em ganhos lineares no custo, nem sempre acontece.

Mas e dentro de uma mesma litografia, será que podemos dizer que há linearidade de custo de acordo com a área ocupada? Ou seja, um chip de 200 mm2 custa o dobro de um de 100 mm2? Para respondermos a isso temos de explicar outro conceito.

Rendimento  de produção / Yield

Uma coisa que já devem ter ouvido dizer é que o rendimento de produção ou “Yield” é muito maior nos chips pequenos, E isso é uma realidade fácil de compreender.



Durante a produção dos chips, o que acontece usando robots automatizados, podem ocorrer erros na colocação dos transistores. Esses erros não escolhem local para ocorrer, podendo ocorrer em qualquer local da superfície da wafer, apanhando assim qualquer parte de um chip ali presente. E dependendo de onde o erro ocorre, o chip pode ficar inutilizado, ou ter de ver certas partes desactivadas.

Esse é motivo pelo qual nos GPUs há o hábito de se desactivar CUs para se garantir um determinado rendimento de produção. Vamos ver o esquema de um GPU:

A imagem representa o Raio X de um GPU Fiji, e como podemos ver, a maior parte do espaço é ocupado pelas unidades de computação. Um erro em qualquer parte critica do GPU levará o GPU para o lixo, mas felizmente, sendo que mais de 90% do GPU é ocupado pelas Compute Units, a probabilidade maior de o erro ocorrer é exactamente aí. E sendo essas unidades de processamento paralelo, elas podem ser desactivadas, ajudando a que uma maior parte de chips com defeitos possam ser aproveitados.

Naturalmente que este procedimento não implica que o chip seja aproveitável. Não só já vimos que se o erro ocorrer fora das Compute Units o chip vai para o lixo, como pode acontecer o erro acontecer em duas compute units  associados ao mesmo Shader Engine. E por norma o que é desactivado é uma CU por Shader Engine, pelo que esse tipo de erro, não inutilizando o chip, mesmo assim impede que seja usado na utilização inicialmente pensada. Basicamente, isso acontecia, por exemplo, na produção de GPUs com 64 CU, algo que só se pode pensar em fazer quando o processo de fabrico estiver muito maturado, e onde os chips com defeito eram reutilizados como GPUs com 56 CU!



No limite pode mesmo acontecer o chip nem ter erro nenhum, mas mesmo assim ter de desactivar CU na mesma. Será por exemplo o caso da produção de APUs para uma consola onde o chip não tendo outra utilização, ao não ter erros se vê na mesma cortado na funcionalidade.

Mas como é que os erros não afectam tanto os chips pequenos e afectam mais os grandes?

Por dois motivos:

O primeiro é que quando maior o chip, maior a probabilidade de dois erros caírem dentro de um mesmo chip, inutilizado-o.

O segundo é que com chips maiores temos menos chips produzidos por wafer. Isso quer dizer que 1 chip inutilizado não tem o mesmo peso percentual na produção. Se em toda a superfície da wafer só houvesse um erro, e estivéssemos a produzir chips pequenos ao ponto de a wafer conter 100 deles, a rentabilidade da produção era de 99%.



Mas com chips maiores onde só coubessem 10 chips (e estamos a falar teoricamente só para dar o exemplo), 1 chip defeituoso representaria uma quebra de 10% na produção.

Porque 1 = 1% de 100, mas tambem 1=10% de 10.

Daí que não é pelo facto de o chip ser maior que seja mais propício a erros. O número de erros não depende do tamanho do chip, mas como acabamos de ver, afecta mais o rendimento de produção de chips grandes, do que de chips pequenos.

Estamos agora em condições de responder à questão que ficou no ar. Será que dentro de uma litografia há linearidade de custo com a área ocupada?

Como vimos sim, a nível de custo na wafer há linearidade. E ela seria uma realidade se o rendimento de  produção ou yield fosse de 100%.



Mas na realidade não é, e dentro da wafer há chips que não são aproveitáveis. Nesse sentido os chips maiores acabam por sair mais caros a produzir, porque sempre que há um erro que inutiliza um chip a quebra de rendimento é superior nos chips maiores. E isso tem uma implicação directa no preço a que serão vendidos os outros.

Basicamente o custo do chip tem a ver com a rentabilidade da produção ou yield e com o tamanho do chip.

Vamos tentar ver quando pode custar um APU para uma XsX, uma XsS  e uma PS5.

Para isso precisamos de saber quanto fica uma wafer de silicio cheia de chips a 7 nm, e a informação que obtivemos nas nossas pesquisas foi uma referência de um membro do Beyond 3D que refere que o seu custo rondaria os 11 mil dólares. Não podemos confirmar este valor como correcto, pelo que ele servirá apenas de referência, e permitirá calcular a diferença percentual de preços entre os APUs de cada uma das consolas.

Dados conhecidos:



Área do APU da XsX – 360 mm2

Área do APU da XsS – 197 mm2

Área referenciada do APU da PS5 –  perto de 300 mm2

Como já perceberam, a área do APU da PS5 não é certa, pelo que estes valores terão de ser de referência. Eventualmente, uma vez conhecido este valor, podem consultar este artigo e refazer o cálculo, para obterem a diferença correcta.

Área da waffer = Pi*r^2 = ou Pi*1050^2 = 70 685,83470577



Temos de ter agora em conta que cerca de 25% da área da wafer, a ser impressa, daria origem a chips incompletos. Isso deriva do facto de a wafer ser redonda e os chips serem quadrados. E nesse sentido, uma wafer optimizada para custos terá um aspecto diferente da de cima, onde os chips dos cantos seriam para o lixo por estarem incompletos.

Aqui vemos duas wafers com aspecto bem diferente. A da esquerda está optimizada para produção, reduzindo custos. A da direita tem uma boa quantidade de chips incompletos nos cantos que serão deitados fora.

Se se notar que a nível de rendimento de produção, os chips incompletos não são nunca contabilizados. No entanto sai mais económico não os imprimir do que imprimir e deitar fora, apesar que não por uma margem grande pois o custo da wafer é basicamente o mesmo, e o espaço perdido vai depender da dimensão do chip impresso. Basicamente a área útil está lá, o seu uso ou não não depende do fabricante mas das especificações do chip, algo que terá de ser um custo assumido pelo cliente.

É quase como dizer : “A área está lá, você não a usa por sua culpa”.



Basicamente dividindo a área da Wafer pelas áreas dos chips das três consolas, teremos:

XsX = 196 chips por waffer
PS5 = 235 chips por waffer
XsS = 358 chips por waffer

Retirando 25% dos chips por estes corresponderem a chips que estão incompletos, ou não são impressos, ficamos

XsX = 147 chips
PS5 = 176 chips
XsS = 268 chips

Ora com uma wafer de 11 mil dólares, caso tivéssemos um rendimento de produção de 100%, cada chip ficaria a:



XsX = 74,8 dolares
PS5 = 62,5 dolares
XsS = 41 dolares

Mas na realidade isto vai depender do rendimento de produção. Porque os chips vão ter de pagar a wafer e a margem de lucro do fabricante, daí que estes valores podem mudar.

Qual o rendimento a considerar?

Em 2019 a TSMC deu a conhecer os seguintes dados:

Navi 10: ~80% Yield of fully working parts.
Zen2 Chiplet: ~94% Yield of fully working parts.



Basicamente nessa altura os GPUs tinham um rendimento de 80%.  E se tomássemos esse valor como referência teríamos então:

XsX = 93.2 dolares
PS5 = 78,57 dólares
XsX = 51,4 dólares

Ora como dissemos não podemos afirmar que 11 mil dólares seja o valor correcto, e nem nos interessa saber. Mas por aqui percebemos uma realidade que é universal, a diferença de preços entre o APU da PS5,caso se confirma a 300 mm^2, e os APUs das restantes consolas

Assim o APU da XsX custa 18,2% mais a produzir que o da PS5.  A PS5 por sua vez custa mais 52% a produzir que o APU da XsS.

E estes números, a confirmarem-se são curiosos. Porque segundo eles a PS5, que tem 157% mais Tflops que a XsS, custa mais 52% a produzir, justificando o custo extra.



Já a Xbox série X entra zona de ganhos decrescentes, pois ela custa 18.2% mais a produzir, para obter basicamente os mesmos 18,2% mais de performance teórica máxima. 1141

Percebe-se assim claramente que a se conseguir mais performance do chip o aumento da área (mais CUs) não era a solução mais económica.



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Rui
Rui
29 dias atrás

Existem diferenças mesmo entre consolas, uma one X com um chip perfeito gasta menos energia e produz menos calor que um chip de uma one X imperfeito e isso tem haver com o hovis method.

Se essas contas estiverem certas mais uma razão para a S deveria custar menos um bocado, 249 euros.

Uma pergunta off, o xbox all acess está disponível para Portugal? Aquele modelo se pagar X durante 2 anos e ter a consola series + ultimate?

Deto
Deto
Responder a  Rui
28 dias atrás

Até onde eu li, o custo de produção não é ligado diretamente ao clock.

Mas tem diferenças sim de consumo entre APUs, a questão se essa diferença é relevante ou não. Se for, sei lá, 30%… é sim, mas se for 3%? totalmente irrelevante.

E nada da sony botar o video do teardown do PS5…

Helmer Silva
Helmer Silva
Responder a  Rui
28 dias atrás

Pelo o que sei Rui, não o
Xbox all acess não esta disponível em Portugal, só em países selecionados, eles aumentaram o programa mas não até terras lusas
https://www.xbox.com/pt-PT/regions

bruno
bruno
29 dias atrás
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Numeros interessantes, mas curiosos.

A APU da X custa menos que a APU da PS4 em 2013? Uma APU com menor area num processo que dizem era mais barato?

Talvez falte a margem da fabricante, neste caso AMD, que tambem recebe pelo IP inserido no chip.

Seja como for, a boa noticia disto e que estes chips, sobretudo da PS5 andarao por volta dos 100$.

By-mission
By-mission
Responder a  bruno
28 dias atrás

Pah não está a perceber a coisa.. este preço é uma suposição, e depois quando desses de 14nm para 7nm tens 2 vezes os números de Chips por silicio…

bruno
bruno
Responder a  By-mission
28 dias atrás

Eu falo de areas.. das areas a 28 nm (nao 14 nm) e as areas a 7 nm. Temos dois chips diferentes, em nodos diferentes, mas com areas nos 300 -350 mm2.

marcio
marcio
28 dias atrás

Otima leitura, obrigado por partilhar conhecimento Mario, abraço !

Deto
Deto
28 dias atrás

Vou dar uma de “misterxmedia”

Acho que a Sony não divulgou o teardown do PS5, pq ele vai ter 128MB de Cache no Infinity Fabric igual a AMD, e ao contrário do SX que não tem.

E já está chato a Sony não ter feito um video de teardown do PS5 ainda…

Sera que o custo do chip tem alguma relação com o clock? por tudo que eu li até agora, não.

Vantagem de custo para a Sony.

Carlos Zidane
Carlos Zidane
Responder a  Deto
28 dias atrás

Esse teardown muito me interessa, foi falado alguma coisa? Um rumor? Ou é só um desejo? Estou por fora disso

Lucas Diogo
Lucas Diogo
Responder a  Carlos Zidane
28 dias atrás

Mark Cerny disse que iriam fazer um teardown quando estava a falar da consola naquilo de fevereiro se não me engano.
Eu acho que vão fazer como no ps4 ,ou seja, poucas semanas antes do lançamento do ps5.

Carlos Zidane
Carlos Zidane
Responder a  Lucas Diogo
28 dias atrás

Ah ok. Obrigado Lucas.

nETTo
nETTo
Responder a  Lucas Diogo
28 dias atrás

Foi em maio que ele disse isso no Road to PS5

bruno
bruno
Responder a  Deto
28 dias atrás

Eu penso o mesmo…O infinity fabric de 128 mb e muito interessante, mas nao para um chip.

Julio Esteves
Julio Esteves
Responder a  bruno
28 dias atrás

Bruno, quais segredos poderá ter a Sony que precisam ser ainda resguardados?
Pelo que já li aqui na Pcmanias pouca coisa como clock de processador e memórias podem ser ajeitados na última hora.Os devkits já estão distribuidos.
A não ser que tenha algo que ainda apresente uma inconformidade.

Julio Esteves
Julio Esteves
Responder a  Mário Armão Ferreira
28 dias atrás
nETTo
nETTo
Responder a  Julio Esteves
28 dias atrás

Eu acho que nenhum

Sinceramente o PS5 é aquilo que já conhecemos

bruno
bruno
Responder a  bruno
28 dias atrás

@ Julio Realisticamente, o que o Mario referiu.

Nao realisticamente (e a entrar em territorio xMedia) mas com alguns indicios suspeitos, e possivel que o que foi referido pelo Mark Cerny seja apenas metade daquilo que a PS5 e.

Se fores procurar pelos specs da PS5 no site oficial nao tens nada. Tens no PS Blog e tens o Digital Fondry que se limitaram a reproduzir os specs que o Mark Cerny falou…

Mas o que foi referido no Road to PS5, nao foram as especificacoes exactas do GPU.. nem do CPU…

O CPU de 8 nucleos foi referido no artigo da wired, mas nao sabemos o contexto do que quem escreveu ouviu nem o que foi dito.

O GPU de 36 Compute Units. foi um numero avancado pelo Cerny… mas ele comeca por introduzir esse numero para falar do tamanho das CUs, e diz no inicio para apenas tomar aquilo como referencia e nao muito seriamente. Depois fala das equivalencias e disse que um GPU desse tipo permitiria evolucao e que o clock anunciado… daria 10.3 teraflops para 36 Compute Units.

A imprensa depois encarregou-se de pegar nisso e fechar as especificacoes.

Adiciona a isto o seguinte:

1- As patentes de cooling que a Sony tem registado com dissipadores termicos do chip a atravessar o PCB. Tu em vez de teres cooling em apenas um lado, teras no dois!

2 – As patentes de cooling com uso de metal liquido em vez da tipica pasta termica.

3 – A patente recente de formas de renderizacao usando varios GPUs (ou APUs) discretos sem ser necessario pool de ram separada. Esta patente refere a tecnologia a poder ser aplicada a servidores… ou consolas.

4- O rumor da Infinity cache, com um tamanho gigantesco e que permitira algo que ate agora nao foi possivel… ter chiplets de GPUs como tens nos CPUs.

5 – Antes do rumor 4, um outro que refere que a RDNA3 sera com GPUs chiplet.

6 – O s primeiros rumores da APU de 36 Compute Units relativa a PS5. Haviam dois nomes de codigo referentes a apus com 36 Compute Units.. e os dois estavam a ser testados e a soferem melhorias (inicialmente pensou-se que eram os dois relativos ao mesmo chip que entretanto mudou de nome, mas se assim fosse um teria parado desenvolvimento).

7 – O ultimo rumor da lista. Um enigma relativo a memoria da Navi 21, sobre a ram. Inicialmente que so teria uma bus width de 256 bit. Depois que afinal isso so ocorreria com o chip a correre em modo emulacao (a PS4 e a PS4 pro tem um bus de 256 bit – isso nao ocorre na Xbox ONE X por exemplo – e alem disso, precisa um GPU PC de emular bus width diferente?).

Isto e muito Xmedia… mas ja tivemos uma consola a ser revelada a pouco mais de dois meses e aos produtores, logo.. nesta altura nada me surpreenderia.

So acrescento que um dos engenheiros da Sony referiu que a PS5 era baseada no que aprenderam com a Pro… e a patente de duplo GPU e um claro resultado do que a Sony fez com a Pro.

Andrio
Andrio
Responder a  Deto
28 dias atrás

Falei isso com livio outro dia. A sony já deveria ter feito o teardown. visto que a MS já enviou o Seris X para varios jornalistas testarem. Não tem pra queê fazer mistério.
Talvez semana que venha vamos ter algo disso, já que na semana do dia 4 de outubro pelo o que eu li, Youtubers japoneses vão transmitir gameplay do PS5.

Helmer Silva
Helmer Silva
28 dias atrás
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Artigo muito informativo Mário, realmente já tinha ouvido todos os termos, mas nunca tinha compreendido por completo, apenas pela tradução mas nem sempre dá para fazer uma no sentido literal da coisa. Números bem interessantes no comparativo entre as consolas, mostrando que o XSX, está basicamente em par entre o aumento em rendimento e o custo de produção da APU, em relação ao PS5

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