單芯片處理器已達極限
[導(dǎo)讀]蘋果公司宣布推出M1 Ultra，再一次讓愛好者和分析人士大吃一驚，M1 Ultra是M1 Max的變形，有效地將兩塊芯片融合為一塊芯片。其結(jié)果是，軟件將這種雙芯片設(shè)計視為一塊硅片。2022年3月，英偉達在其GPU技術(shù)大會上發(fā)布了類似的消息。該公司的首席執(zhí)行官黃仁勛宣布，該公司將兩塊新款Grace CPU處理器融合為一塊“超級芯片”。
未來似乎屬于芯粒，但互連仍是一場混戰(zhàn)。
蘋果公司宣布推出M1 Ultra，再一次讓愛好者和分析人士大吃一驚，M1 Ultra是M1 Max的變形，有效地將兩塊芯片融合為一塊芯片。其結(jié)果是，軟件將這種雙芯片設(shè)計視為一塊硅片。2022年3月，英偉達在其GPU技術(shù)大會上發(fā)布了類似的消息。該公司的首席執(zhí)行官黃仁勛宣布，該公司將兩塊新款Grace CPU處理器融合為一塊“超級芯片”。不過，這兩個公告的市場目標(biāo)并不相同。蘋果將目光投向了消費者和專業(yè)工作站領(lǐng)域，而英偉達則想在高性能計算領(lǐng)域展開競爭。目標(biāo)上的差異越發(fā)凸顯了一系列挑戰(zhàn)將很快終結(jié)單塊芯片設(shè)計時代。多芯片設(shè)計并不新鮮，但最近5年，其受歡迎程度明顯上升，超微半導(dǎo)體公司（AMD）、蘋果、英特爾和英偉達都有不同程度的涉足。AMD采用芯粒設(shè)計Epyc和Ryzen處理器。英特爾則計劃效仿Sapphire Rapids，這是一種即將推出的服務(wù)器市場架構(gòu)，采用名為“磁貼”（tiles）的芯粒。目前，蘋果和英偉達已經(jīng)加入了這一行列，但其設(shè)計注重完全不同的用例。現(xiàn)代芯片生產(chǎn)的固有挑戰(zhàn)驅(qū)動了向多芯片設(shè)計的轉(zhuǎn)變。晶體管小型化進程在減緩，而尖端設(shè)計中晶體管數(shù)量的增長卻毫無放緩的跡象。蘋果的M1 Ultra擁有1140億個晶體管和約860平方毫米的芯片面積或制造面積。（雖然暫無M1 Ultra的官方數(shù)據(jù)，不過一塊M1 Max芯片的芯片面積為432平方毫米。）英偉達Grace CPU的晶體管數(shù)量也尚未公開，但與其一起發(fā)布的Hopper H100 GPU包含800億個晶體管。還有，2019年AMD發(fā)布的64核Epyc Rome處理器有395億個晶體管。Counterpoint Research的分析師阿克沙拉?巴希（Akshara Bassi）在一封郵件中表示：“借助多芯片模塊封裝，芯片制造商（讓晶體管數(shù)量為十億以上的器件）有了更高的電源效率和（比）單芯片設(shè)計方案更好的性能，因為芯片面積越大，晶圓成品率的問題就會越突出。”除了創(chuàng)業(yè)公司Cerebras在嘗試跨整個硅晶圓制造芯片外，芯片行業(yè)似乎一致認(rèn)為，單芯片設(shè)計太麻煩了，不值得投入。
轉(zhuǎn)向芯粒與芯片制造商的支持是同步的。臺積電在早期就順應(yīng)了這種趨勢，該公司提供了一套名為3DFabric的高級封裝。AMD在一些Epyc和Ryzen處理器設(shè)計中使用了屬于3DFabric框架的技術(shù)，蘋果的M1 Ultra中也幾乎肯定地使用了相關(guān)技術(shù)。（蘋果尚未證實這一點，但M1 Ultra由臺積電生產(chǎn)。）英特爾有自己的封裝技術(shù)，例如EMIB和Foveros。雖然該公司的芯片制造技術(shù)原本僅為獨家使用，但隨著英特爾代工服務(wù)的開放，該技術(shù)與行業(yè)產(chǎn)生了更廣泛的關(guān)聯(lián)。Hyperion Research的高級分析師馬克?諾索科夫（Mark Nossokoff）在一封郵件中說：“基礎(chǔ)半導(dǎo)體設(shè)計、生產(chǎn)和（芯粒）封裝的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到要為設(shè)計節(jié)點提供支持，并經(jīng)濟、可靠地產(chǎn)出基于芯粒的解決方案。無縫集成芯粒功能的軟件設(shè)計工具也已經(jīng)（顯著）成熟?！?/span>芯粒會繼續(xù)存在，但目前，這個領(lǐng)域還是一個個孤島。AMD、蘋果、英特爾和英偉達的互連設(shè)計都各自采用獨特的封裝技術(shù)。通用芯粒互連規(guī)范（UCIe）希望將行業(yè)整合在一起。該開放標(biāo)準(zhǔn)于2022年3月2日發(fā)布，它提供了一個針對“有成本效益”性能的“標(biāo)準(zhǔn)”2D封裝，以及一個針對尖端設(shè)計的“高級”封裝。UCIe還通過PCIe和CXL支持封裝外連接，可用于高性能計算環(huán)境中多個機器間的多芯片連接。UCIe只是一個開始，而行業(yè)對該標(biāo)準(zhǔn)的接受程度如何還有待觀察?！白畛跬茝VUCIe的創(chuàng)始成員代表了一批杰出貢獻者，他們來自廣泛的技術(shù)設(shè)計和制造領(lǐng)域，包括高性能計算生態(tài)系統(tǒng)?！敝Z索科夫說，“但還有許多大企業(yè)尚未加入，包括蘋果、AWS、博通公司、IBM和英偉達。”英偉達已經(jīng)推出了定制硅集成互連NVLink-C2C，成為UCIe的潛在競爭對手。類似UCIe和NVLink-C2C的平臺可能會制定一些競賽規(guī)則，但不太可能改變正在進行的競賽名稱。蘋果的M1 Ultra可以被視為礦井中的金絲雀，這表明多芯片設(shè)計正在走向你身邊的家用計算機。
作者：Matthew S. Smith
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