Технологии: "Комплектующие" краш тесты, релиз и массовое производство
В основе компьютерных комплектующих лежат чипы, содержащие миллиарды транзисторов. Соединяют их печатные платы с тысячами проводящих дорожек, а питает электронная обвязка, поддерживающая нужное напряжение до сотых долей вольта. Одна маленькая недоработка в этой системе — и работа ПК будет нарушена. Неудивительно, что каждую новую «железку» производители тщательно тестируют перед ее выпуском. Как это происходит?
Зачем «пытают» комплектующие
Любой компьютер представляет собой невероятно сложную систему. Каждая деталь в ней должна обеспечивать стабильную работу, и при этом быть совместимой с широким спектром комплектующих от других производителей.
Процессоры, материнские платы, видеокарты, накопители, блоки питания. В процессе разработки все это подвергается неоднократным множественным испытаниям, и в случае провала даже одного из них вновь отправляется на доработку. Таким образом производители пытаются минимизировать брак и предотвратить возникновение гарантийных ситуаций.
Ключевой смысл проверок, которым подвергается «железо», заключается в искусственном создании для него экстремальных условий. Ведь если их комплектующие переживут, то при нагрузках в повседневном использовании им практически ничего не грозит. Но какие этапы «пыток» приходится для этого проходить? Разбираем по порядку.
Температура, влажность и давление
В эту категорию входят тесты, призванные симулировать жесткие внешние условия. Самым распространенным из них является Burn-in. Под этим термином подразумеваются длительные испытания комплектующих под максимальной нагрузкой на грани предельных температур. Для проверки процессоров и видеокарт таким образом на них подается максимальная вычислительная нагрузка, которую часто комбинируют с повышением питающего напряжения до предельных значений. Материнские платы тестируются с сильно разогнанными процессорами, чтобы выявить слабые места VRM. А к блокам питания подключается предельная электрическая нагрузка.
В каждом из этих случаев «железо» тестируется несколько суток подряд. А чтобы температуры чипов и электронных компонентов на платах были близки к пределу рабочего диапазона, на все время тестов комплектующие помещаются в специальные камеры, где для этого поддерживаются необходимые условия.
Различные материалы, из которых состоят комплектующие, имеют разный коэффициент расширения при нагреве. Из-за этого при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения контакт в местах их соединения может ухудшиться. Со временем это может привести к неработоспособности «железки» — например, к отвалу графического чипа или чипсета материнской платы.
Расширяемость материалов учитывается при разработке конструкций, но без проверок и тут не обойтись. В этом помогает процесс термоциклирования — искусственный нагрев комплектующих свыше +100 °C и их последующее охлаждение до минусовых температур. Для этого используется еще один вид закрытых камер. В некоторых их разновидностях, помимо температур, таким же образом осуществляются перепады влажности — от минимальной до максимальной.
Наиболее комплексный подход к созданию стрессовых условий для «железа» сочетают в себе камеры для ускоренных испытаний (Highly Accelerated Stress Test, HAST). В них, вдобавок к высоким температурам и влажности, создается повышенное давление. Сочетая все три параметра определенным образом, производители комплектующих создают условия для их искусственного «старения». Например, для процессоров AMD с помощью камер HAST за две недели имитируется срок работы в пять лет.
Механика
Не менее важный вид тестов, предназначенный для проверки комплектующих на устойчивость к физическому воздействию. Сюда входит целый ряд различных процедур, который симулирует разнообразные виды нагрузок и перегрузок. Одни из них — испытания с помощью вибрации, ударов и падений. Они позволяют убедиться, что «железо» без проблем переживет транспортировку и случайности, которые могут возникнуть при неосторожном обращении в процессе сборки ПК. Для проверки вибрацией используется специальный стенд, имитирующий тряску.
А для испытаний на падения и удары применяются специальные манипуляторы, с помощью которых операторы бросают и «бьют» различные комплектующие. Чаще всего — прямо в упаковках или коробках.
Печатные платы всех «железок» подвергаются еще одному виду испытаний — на изгиб и деформацию. Для этого плата жестко закрепляется, а металлический рычаг прилагает к ней контролируемое усилие изгиба в разных направлениях. С помощью этого теста производители проверяют, чтобы внутри ПК физическая нагрузка на плату (например, с помощью тяжелого кулера или массивной видеокарты) не приводила к возникновению на ней переломов или трещин.
Комплектующие, имеющие различные разъемы, проходят испытания на их долговечность. Для этого их фиксируют на стенде, а автоматический манипулятор множество раз подключает и отключает коннекторы различных кабелей к каждому из разъемов. За счет соединения этих кабелей с тестовой аппаратурой при каждом подключении заодно проверяется электрический контакт соединений разъема с платой.
Вентиляторы и корпуса дополнительно испытываются на «усталость» материалов и износостойкость. Первый тест подразумевает циклическое повторение нагрузок по изгибу и раскрутке лопастей. Второй, применимый к корпусам, заключается в абразивной обработке их поверхности для проверки устойчивости к износу.
Электрика
Основными проверками такого типа являются тесты на электрическую перегрузку. Им подвергается «железо», работа которого связана с преобразованием токов высокой мощности — блоки питания, подсистемы питания (VRM) материнских плат и видеокарт. В процессе тестов на них подается нагрузка, которая больше номинальной в полтора-два раза. А также ряд ее кратковременных сильных скачков, которые в несколько раз превышают стандартные значения.
Другой вид таких тестов — симуляция электрического разряда. Он имитирует контакт комплектующих с предметами, которые заряжены статическим электричеством. Для этого используются три различные модели: симуляция человеческого тела, заземленного металлического объекта и модель «заряженного устройства». В первых двух разновидностях источником электрического удара служит специальный электрод.
А для модели «заряженного устройства» статическим электричеством заряжаются сами комплектующие. После этого их разрядка с производится помощью контакта с заземленной поверхностью.
Экстремальное охлаждение
Основным видам тестов, описанным выше, подвергаются все компьютерные комплектующие. Однако разработчики центральных и графических процессоров вдобавок к этому нередко тестируют их и с криогенным охлаждением. С помощью «стакана» с жидким азотом или гелием чипы разгоняются до максимальных частот, которых могут достигнуть из-за отсутствия практического упора в тепловыделение и нагрев. Таким образом, проверяется поведение архитектуры при отрицательных температурах и предел ее рабочей частоты.
Обычно такие испытания проходят наиболее производительные чипы, которые потом попадают в флагманские процессоры и видеокарты. Нередко компании задействуют в тестах известных оверклокеров, которые после выхода продукции на рынок участвуют в различных мероприятиях с демонстрациями предельных возможностей топовых решений под экстремальным разгоном.
На самом деле, результаты подобных тестов для обычного пользователя малоинформативны. С водяным или воздушным охлаждением потолок частот чаще всего будет ограничен тепловыделением чипов. К примеру, если под азотом архитектура способна достигать 4 ГГц, то без него выше 3 ГГц не «прыгнет».
К тому же, при положительных температурах поведение чипов может отличаться от того, что наблюдается под отрицательными. А если учитывать, что из-за использования криогенного охлаждения возникает конденсат, провоцирующий поломку комплектующих буквально за несколько часов, то к реальному использованию такие тесты имеют еще меньше отношения.
Минимизация брака
Производство чипов — очень сложный процесс, состоящий из множества стадий. В его ходе в некоторых заготовках для будущих чипов на пластине неминуемо образуются дефекты. Чтобы минимизировать брак, пластина сканируется на их наличие с помощью дефектоскопического оборудования.
Дефекты не обязательно означают, что заготовка отправится в «мусорку». Во многих случаях затронуты такие области будущего чипа, которые производитель может отключить, сохранив его работоспособность. Например, одно или два из множества ядер центрального процессора, или пара-тройка вычислительных блоков в крупном графическом процессоре. В этих случаях после нарезки кристаллов нерабочие области в них отключаются. Так из одной заготовки получаются разные чипы, отличающиеся количеством рабочих блоков — например, будущие процессоры с восьмью и шестью ядрами.
После упаковки чипов и прохождения стресс-тестов выявляется их поведение под нагрузкой. Одни экземпляры способны достигать высоких частот. Другие стабильны только под более низкими. Лучшие варианты производители используют для старших моделей процессоров и видеокарт, худшие — для младших. Такой процесс сортировки чипов по качеству называется биннингом.
Чтобы еще больше минимизировать процент отказов чипов, производители видеокарт нередко оснащают свои модели усиленными подсистемами питания, которые рассчитаны на большую мощность, чем потребляет ГП даже при разгоне. Такая же тенденция наблюдается среди материнских плат высшего ценового диапазона. А в бюджетных платах с более скромными VRM для предупреждения их преждевременного выхода из строя нередко ограничивается максимальная мощность, которую можно подать на процессор.
Что чаще всего ломается и почему
После получения результатов тестирования производители определяют ключевые недоработки в «железе», которые могут привести к его неисправности, и стараются избавиться от них к моменту выпуска финальной продукции. Несмотря на это, главными слабыми местами комплектующих за последнее десятилетие все также остаются:
BGA-пайка у чипов с высоким тепловыделением
Метод пайки с помощью массива алюминиевых шаров, который используется для коммуникаций с печатной платой у всех чипов с большим количеством выводов. Для тех решений, которые не обладают высоким тепловыделением, вполне долговечен. А вот горячие чипы, вроде производительных ГП, из-за постоянных циклов сильного нагрева и охлаждения шаров до сих пор периодически преследует проблема «отвалов».
Подсистема питания на материнской плате (VRM)
Неисправности подсистемы питания — проблема, особенно остро касающаяся бюджетных материнских плат. При использовании с современными процессорами уровня Core i5/Ultra 5 или Ryzen 5 (и выше) на VRM крайне желательно наличие пассивного охлаждения. Но в нижнем ценовом сегменте оно есть далеко не у всех моделей. Из-за этого конденсаторы и транзисторы MOSFET у бюджетных плат очень сильно греются, что часто приводит к их выходу из строя.
Дроссели
«Свист» или «писк» — больная тема для дросселей тех комплектующих, в которых через них протекают высокие токи. Это материнские платы, блоки питания, и особенно — видеокарты. И хотя данное явление не влияет на работу «железа» и не рассматривается производителями, как гарантийный случай, находиться рядом с «свистящим» системным блоком во время нагрузки довольно неприятно. Несмотря на то, что производители давно знают об этой проблеме, из года в год она все также остается нерешенной.
NAND-память
Микросхемы флэш-памяти в SSD — главный компонент современных ПК, который в процессе его эксплуатации изнашивается независимо от реализации и внешних условий. Особенно это касается накопителей с памятью QLC, которые сегодня все чаще и чаще появляются в моделях бюджетного сегмента. Ячейки подобной памяти выдерживают всего от 500 до 1000 перезаписей. Поэтому SSD с ней при интенсивном использовании рискуют выйти из строя всего через год-другой.
Подшипники
Слабое место вентиляторов, из-за износа которого они уже спустя пару лет эксплуатации могут начать шуметь. В первую очередь это касается бюджетных моделей с подшипником скольжения, которые наиболее часто встречаются в комплекте с компьютерными корпусами. Впрочем, из всех проблем для пользователя эта — самая несущественная: такие вентиляторы стоят недорого, а заменить их самостоятельно не составляет труда.
Итоги
Многоэтапное тестирование комплектующих для ПК — сложный и долгий процесс, позволяющий проследить их поведение под искусственно созданными жесткими условиями. С помощью него производители проверяют запас прочности «железа», при необходимости дорабатывая его слабые места. Благодаря этому минимизируется риск выхода комплектующих из строя в процессе их обычной эксплуатации.
Полного отсутствия брака ни одному производителю достичь не удается. Но, благодаря тестированию и последующим доработкам для устранения причин ненадежности, количество бракованных комплектующих для ПК сегодня редко превышает единицы процентов. А за счет запаса прочности многие из «железок» при соблюдении рекомендуемых условий эксплуатации способны прослужить не один десяток лет, оставаясь работоспособными даже при полном моральном устаревании.
