Stepping: ¿qué es el número de revisión de un chip?

Seguramente has visto alguna vez el número de referencia de tu CPU o stepping. Generalmente usa un número y, en ocasiones, una letra acompañando a este número. Algunos procesadores marcados bajo una misma modelo podrían presentar un stepping diferente, al igual que también puede haber procesadores de distintos modelos con igual número de referencia.

Pero ¿qué significa ese número? ¿es importante? ¿puede influir en las prestaciones o calidad del chip? ¿Tiene algo que ver con el binning o no?

¿Qué es el stepping?

El número de revisión, nivel de revisión, o stepping, como lo quieras llamar, solo es una marca que determina que se ha realizado un cambio o revisión en el componente. En este caso en los circuitos integrados, como los procesadores. Estos números determinan las máscaras de fotolitografía empleadas para la fabricación.

Las máscaras de fotolitografía o fotomáscaras empleadas en la fabricación son extremadamente caras. Suelen costar unos 82.000€ cada una y se emplean alrededor de 30 para fabricar un microprocesador avanzado (con unas 20 capas). Además, suelen ser muy recelosos y no se suelen mostrar.

De hecho, los costes de desarrollo de ingeniería son muy altos, al igual que el coste de estas máscaras. Por eso, para que el coste por die sea rentable, se deben fabricar los chips en grandes volúmenes. Esto es así ya que esos dos costes serán los mismos tanto para fabricar a bajo volumen que para alto, pero la venta en masa permitirá mayores márgenes de beneficio.

Generalmente eso implica un cambio en el layout, aunque no tiene por qué afectar al floorplan o distribución. En muchas ocasiones pueden ser pequeños cambios, como algunos remodelaciones en las capas metálicas, etc. Y haciendo una analogía con el software, sería el equivalente a una subversión.

De hecho, el nombre stepping level proviene de los steppers, es decir, los equipos de fabricación que exponen las obleas durante el proceso de fabricación del chip. Es decir, los que van barriendo la superficie de la oblea para generar los patrones necesarios en en la fotoresistencia.

¿Sabías que…? Las obleas o wafers en los que se fabrican los chips son redondas porque el cristal de silicio se crece en un proceso conocido como Czochralski donde un cristal semilla se hace girar para que el silicio fundido vaya tomando su misma estructura cristalina. Se podrían hacer similitudes como el algodón de azúcar de las ferias…

¿Sabías que…? Los steppers también pasan por los bordes de la propia oblea, dejando decenas de chips incompletos que son inútiles, pero que aun así se realizan al ser más fácil para estos aparatos que si se evitasen esos bordes.

Cuando un diseñador invierte dinero en cambiar las máscaras es porque entienden que van a conseguir un cambio positivo en el rendimiento, pueden corregir algún fallo en la lógica, se ha encontrado una forma de mejorar las frecuencias de reloj, mejorar el switching de los transistores, reducir el consumo, etc.

Ten en cuenta que las máscaras son caras, suelen costar más de 82.000€ cada una, y se suelen necesitar hasta 30 máscaras para producir un chip complejo debido a las numerosas capas.

Algunos procesadores, como lo x86, usan el registro EAX en valor 1 para modificar otros registros y mostrar el valor del stepping del procesador mediante CPUID. Por eso aparece en software como CPU-X, CPU-Z, Hardinfo, AIDA64, etc., programas que emplean CPUID para obtener detalles del hardware.

En Linux, puedes consultar también el stepping desde /proc/cpuinfo, (p.e.: cat /proc/cpuinfo | grep stepping)

Por lo general, suelen ser modificaciones de las capas superiores, es decir, de las interconexiones metálicas. Las capas más profundas y cercanas al sustrato son más complicadas de modificar, ya que implicaría un mayor rediseño del resto, incluidas las capas superiores.

Nomenclatura

En cuanto a la nomenclatura, el stepping suele estar representado por una letra y un número. Por ejemplo, puedes ver A1, B2, etc. La letra suele indicar el nivel de revisión de las capas base del chip, mientras que el número suele referirse a revisiones de las capas metálicas. Evidentemente, un cambio de letra implicará tanto un cambio de las máscaras de niveles más bajos como de los niveles más altos correspondientes a las capas de interconexiones metálicas.

Es importante conocer también otro detalle, y es que cuando se diseña el circuito integrado y el desarrollo RTL ha sido un éxito, el primer tapeout de silicio suele denominarse A0 o 0. Más adelante se pueden ir introduciendo mejoras en las fotomáscaras o no. Por ejemplo, podría haber lanzamientos A1, A2, A3, A4, B0, B1, etc.

No siempre se comercializan en orden. A veces, se pueden lanzar versiones con memoria o ciertas funciones reducidas antes que otras versiones con stepping previos que corresponden a versiones normales.

Aunque no sea frecuente, en algunos diseños, un cambio en las letras, o stepping, también podría significar cambios en algunos parámetros del chip. Por ejemplo, en algunos casos se pueden hacer cambios en la MMU (controlador de memoria), se puede agregar más memoria cache, se pueden agregar modos de bajo consumo, etc.

¿El stepping es importante para el usuario?

En principio, para elegir una buena CPU/GPU no sería tan imprescindible conocer el stepping del chip. Es mejor centrarse en la microarquitectura > nº de núcleos > nº de hilos > frecuencia de reloj > memoria cache > otros (Por ese orden, de más importante a menos importante para el rendimiento).

Pero en ese «otros», podría incluirse el steppping, aunque dado que no se suele aportar muchos detalles en cuanto a los cambios de este nivel de revisión, tampoco resulta demasiado práctico. A veces el usuario final no sabe si un A1 puede ser mejor que un B1, o si simplemente se trata de una revisión en la que se han restado prestaciones, etc. Pero, como regla general, una revisión mayor debería ser mejor.

Si eres un entusiasta y necesitas hacer prácticas como el overclok, quizás si te itneresa conocer algo más al respecto de este stepping. Algunos cambios podrían suponer una mejora interesante en cuando a la estabilidad, temperatura, y frecuencia que se puede lograr alcanzar.

¿Qué es el BKM?

Además del stepping, también existe un término muy interesante, y es BKM (Best Known Method), es decir, el mejor método conocido. En cada fundición se intenta estar constantemente mejorando el proceso de fabricación, con un proceso de investigación paralelo a la producción para lanzar una versión mejorada, ya que se entiende que nodo es mejorable.

No obstante, el nodo en el que se produce actualmente es el mejor que pueden usar por el momento, hasta que la siguiente mejora esté lista para la producción en masa. Un afán constante de disminuir los costes de fabricación (obleas a precios más competitivos o mayor margen de beneficio), aumentar la producción (más wafers disponibles), y disminuir la densidad de fallos por oblea (aumentar el yield).

Todo eso afecta directamente a los costes, lo cual es muy importante. Además, se pueden encontrar dos tipos de costes:

• Fijos: son aquellos que no dependen de la fabricación, como el coste de la fab (y equipamiento de la misma, como las máquinas de fotolitografía), los impuestos, costes de investigación de desarrollo de los nodos, materiales, sueldos de los trabajadores, etc. Además, éstos costes serán cargados sobre el nodo de fabricación previo. Por ejemplo, la línea de producción de 7nm será la que costee el desarrollo y despliegue de los 5nm, y éste a su vez lo hará para los 3nm y así.
• Variables: dependerá directamente del volumen de producción y yield, y es precisamente donde se puede actuar mediante el BKM para mejorarlo.

Volviendo a la práctica BKM, éste puede afectar a la fotolitografía, y también la distribución del chip (floorplan o layout) podría hacerlo, con variaciones para sacar mayor provecho de las novedades introducidas en el nodo.

Las adaptaciones a un nuevo nodo no son gratuitas. Un IDM tendrá costes importantes, aunque pueden tener un mejor feedback entre la parte de diseño y de factoría. En el caso de una fabless-foundry, los costes de adaptación al nuevo nodo recaen en la primera. Además, no solo se adapta el diseño al nodo en sí, también al tipo de transistores. Por ejemplo, no es lo mismo para MOSFET convencional que para los transistores 3D como el FinFET, que para los nuevos GAAFET (Gate-All-Around)…

En definitiva, BKM no es más que un modo de aumentar la producción y ofrecer un yield más atractivo. No obstante, el yield no solo depende del proceso de fabricación, también de la superficie del die. Por ejemplo, TSMC anunció un yield del ~80% de media para el nodo de 5nm. Siendo del >90% para un die-size de 17.92mm², cayendo hasta el 32% con un incremento de 100mm².

	16/12nm	10nm	7nm	5nm
Mass production year and quarter	2015 Q3	2017 Q2	2018 Q3	2020 Q
Capital investment per wafer processed per year	$11,220	$13,169	$14,267	$16,746
Capital consumed per wafer processed in 2020	$993	$1,494	$2,330	$4,235
Other costs and markup per wafer	$2,990	$4,498	$7,016	$12,753
Foundry sale price per wafer	$3,984	$5,992	$9,346	$16,988
Foundry sale price per chip	$331	$274	$233	$238

Información del análisis de CSET