單芯片處理器走到盡頭？

蘋果公司發(fā)布的 M1 Ultra再次讓愛好者和分析師感到驚訝。因為這個芯片是 M1 Max 的一種變體，可以有效地將兩個芯片融合為一個，讓雙芯片設(shè)計被軟件視為單個硅片。

Nvidia在2022 年 GPU 技術(shù)大會上發(fā)布了類似的消息，該公司首席執(zhí)行官Jensen Huang宣布公司將把公司的兩個新 Grace CPU 處理器融合到一個“超級芯片”中。

這些公告針對不同的市場。

蘋果將目光投向了消費者和專業(yè)工作站領(lǐng)域，而英偉達則打算在高性能計算領(lǐng)域展開競爭。然而，目的上的分歧只是突顯了迅速終結(jié)單片芯片設(shè)計時代的廣泛挑戰(zhàn)。

多芯片設(shè)計并不是什么新鮮事，但這個想法在過去五年中迅速流行起來。AMD、蘋果、英特爾和英偉達都不同程度地涉足。AMD通過其 EPYC 和 RYZEN 處理器追求小芯片設(shè)計。英特爾計劃效仿 Sapphire Rapids，這是一種即將推出的服務(wù)器市場架構(gòu)，基于使用它稱為“tile”的小芯片而構(gòu)建?，F(xiàn)在，Apple 和 Nvidia 也加入了這一行列——盡管它們的設(shè)計針對的是截然不同的市場。

Nvidia 的 Grace CPU 超級芯片

現(xiàn)代芯片制造的挑戰(zhàn)推動了向多芯片設(shè)計的轉(zhuǎn)變。晶體管的小型化已經(jīng)放緩，但前沿設(shè)計中晶體管數(shù)量的增長并沒有放緩的跡象。

Apple 的 M1 Ultra 擁有 1140 億個晶體管，芯片面積（或制造面積）約為 860 平方毫米（M1 Ultra 的官方數(shù)據(jù)無法獲得，但單個 M1 Max 芯片的芯片面積為 432 mm2）。

Nvidia 的 Grace CPU 的晶體管數(shù)量仍處于保密狀態(tài)，但與 Grace CPU 一起宣布的 Hopper H100 GPU 包括 800 億個晶體管。從角度來看，AMD 2019 年發(fā)布的 64 核 EYPC Rome 處理器擁有 395 億個晶體管。

晶體管將這種高度推動現(xiàn)代芯片生產(chǎn)推向了極致，使多芯片設(shè)計更具吸引力。Counterpoint 研究分析師Akshara Bassi表示：“多芯片模塊封裝使芯片廠商能夠在單片設(shè)計方面提供更好的功率效率和性能，因為芯片的裸片尺寸變得更大并且晶圓良率問題變得更加突出?！?/p>

從市場現(xiàn)狀看來，除了 Cerebras（一家試圖構(gòu)建跨越整個硅晶圓的芯片的初創(chuàng)公司）之外，芯片行業(yè)似乎一致認(rèn)為，單片設(shè)計正變得比它的價值更麻煩。

這種向小芯片的轉(zhuǎn)變是在制造商的支持下同步進行的。臺積電是領(lǐng)先者，提供一套名為 3DFabric 的先進封裝。AMD 在一些 EPYC 和 RYZEN 處理器設(shè)計中使用了屬于 3DFabric 的技術(shù)，幾乎可以肯定，Apple 將其用于 M1 Ultra（Apple 尚未證實這一點，但 M1 Ultra 由 TSMC 生產(chǎn)）。英特爾有自己的封裝技術(shù)，例如EMIB和Foveros。雖然最初是供英特爾自己使用的，但隨著英特爾代工服務(wù)公司的開放，該公司的芯片制造技術(shù)正與更廣泛的行業(yè)相關(guān)聯(lián)。

“圍繞基礎(chǔ)半導(dǎo)體設(shè)計、制造和封裝的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到支持設(shè)計節(jié)點經(jīng)濟可靠地生產(chǎn)基于小芯片的解決方案的程度，” Hyperion Research 的高級分析師Mark Nossokoff在一封電子郵件中說?！盁o縫集成各種小芯片功能的軟件設(shè)計工具也已經(jīng)成熟，可以優(yōu)化目標(biāo)解決方案的性能?！?/p>

Chiplets 將繼續(xù)存在，但就目前而言，這是一個孤島世界。AMD、Apple、Intel 和 Nvidia 正在使用他們自己的互連設(shè)計，用于特定的封裝技術(shù)。

Universal Chiplet Interconnection Express希望將行業(yè)聚集在一起。該開放標(biāo)準(zhǔn)于 2022 年 3 月 2 日宣布，提供了一個針對“成本效益性能”的“標(biāo)準(zhǔn)”2D 包和一個針對前沿設(shè)計的“高級”封裝。UCIe 還支持通過 PCIe 和 CXL 進行封裝外連接，從而為在高性能計算環(huán)境中跨多臺機器連接多個芯片開辟了潛力。

UCIe 白皮書中的 UCIe 封裝選項示例

UCIe 是一個開始，但標(biāo)準(zhǔn)的未來還有待觀察?！白畛醯?UCIe 發(fā)起人的創(chuàng)始成員代表了眾多技術(shù)設(shè)計和制造領(lǐng)域的杰出貢獻者，包括 HPC 生態(tài)系統(tǒng)，”Nossokoff 說，“但很有很多行業(yè)主要組織尚未加入，包括 Apple、 AWS、Broadcom、IBM、NVIDIA以及其他硅代工廠和內(nèi)存供應(yīng)商?！?/p>

Bassi 指出，英偉達可能特別不愿意參與。該公司已經(jīng)開放了自己的用于定制硅集成的 NVLink-C2C 互連，使其成為 UCIe 的潛在競爭對手。

但是，雖然 UCIe 和 NVLink-C2C 等互連的命運將決定游戲規(guī)則，但它們不太可能改變正在玩的游戲。

Apple 的 M1 Ultra 可以被視為煤礦中的金絲雀。多芯片設(shè)計不再僅限于數(shù)據(jù)中心——它正在出現(xiàn)在您附近的家用計算機上。

3D芯片的三種方法

幾年來，片上系統(tǒng)的開發(fā)人員已經(jīng)開始將他們越來越大的設(shè)計分解成更小的小芯片，并將它們在同一個封裝內(nèi)鏈接在一起，以有效增加硅面積及其他優(yōu)勢。在 CPU 中，這些鏈接大多是所謂的 2.5D，其中小芯片彼此并排設(shè)置，并使用短而密集的互連連接。由于大多數(shù)主要制造商已就 2.5D 小芯片到小芯片通信標(biāo)準(zhǔn)達成一致，這種集成的勢頭可能只會增長。

但是，要像在同一個芯片上一樣將真正大量的數(shù)據(jù)傳輸出去，您需要更短、更密集的連接，而這只能通過將一個芯片堆疊在另一個芯片上來實現(xiàn)。面對面連接兩個芯片可能意味著每平方毫米有數(shù)千個連接。

它需要大量的創(chuàng)新才能使其發(fā)揮作用。工程師必須弄清楚如何防止堆棧中一個芯片的熱量殺死另一個芯片，決定哪些功能應(yīng)該去哪里以及應(yīng)該如何制造，防止偶爾出現(xiàn)的壞小芯片導(dǎo)致大量昂貴的啞系統(tǒng)，并處理隨之而來的是一次解決所有這些問題的復(fù)雜性。

以下是三個示例，從相當(dāng)簡單到令人困惑的復(fù)雜，展示了 3D 堆疊現(xiàn)在的位置：

AMD 的 Zen 3

AMD 的 3D V-Cache 技術(shù)將一個 64 兆字節(jié)的 SRAM 緩存 [紅色] 和兩個空白結(jié)構(gòu)小芯片連接到 Zen 3 計算小芯片上。

長期以來，PC 都提供了添加更多內(nèi)存的選項，從而為超大型應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)繁重的工作提供更快的速度。由于 3D 芯片堆疊，AMD 的下一代 CPU 小芯片也提供了該選項。當(dāng)然，這不是售后市場的附加組件，但如果您正在尋找具有更多魅力的計算機，那么訂購具有超大緩存內(nèi)存的處理器可能是您的選擇。

盡管Zen 2和新的Zen 3處理器內(nèi)核都使用相同的臺積電制造工藝制造——因此具有相同尺寸的晶體管、互連和其他一切——AMD 進行了如此多的架構(gòu)改動，這讓他們即使沒有額外的高速緩存的前提下，Zen 3也能平均提供 19% 的性能提升。其中一個架構(gòu)瑰寶是包含一組硅通孔 (TSV)，垂直互連直接穿過大部分硅。TSV 構(gòu)建在 Zen 3 的最高級別緩存中，即稱為 L3 的 SRAM 塊，它位于計算小芯片的中間，并在其所有八個內(nèi)核之間共享。

在用于數(shù)據(jù)繁重工作負(fù)載的處理器中，Zen 3 晶圓的背面被減薄，直到 TSV 暴露出來。然后使用所謂的混合鍵合將一個 64 兆字節(jié)的 SRAM 小芯片鍵合到那些暴露的 TSV 上——這一過程類似于將銅冷焊在一起。結(jié)果是一組密集的連接可以緊密到 9 微米。最后，為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)，附加空白硅芯片以覆蓋 Zen 3 CPU 芯片的其余部分。

通過將額外的內(nèi)存設(shè)置在 CPU 芯片旁邊來添加額外的內(nèi)存不是一種選擇，因為數(shù)據(jù)需要很長時間才能到達處理器內(nèi)核?！氨M管 L3 [緩存] 大小增加了三倍，但 3D V-Cache 僅增加了四個 [時鐘] 周期的延遲——這只能通過 3D 堆疊來實現(xiàn)，” AMD 高級設(shè)計工程師 John Wuu表示。

更大的緩存在高端游戲中占有一席之地。使用臺式機銳龍 CPU 和 3D V-Cache 可將 1080p 的游戲速度平均提高 15%。它也適用于更嚴(yán)肅的工作，將困難的半導(dǎo)體設(shè)計計算的運行時間縮短了 66%。

Wuu 指出，與縮小邏輯的能力相比，業(yè)界縮小 SRAM 的能力正在放緩。因此，您可以預(yù)期未來的 SRAM 擴展包將繼續(xù)使用更成熟的制造工藝制造，而計算芯片則被推向摩爾定律的前沿。

Graphcore 的 Bow AI 處理器

Graphcore Bow AI 加速器使用 3D 芯片堆疊將性能提升 40%。

即使堆棧中的一個芯片上沒有單個晶體管，3D 集成也可以加快計算速度?？偛课挥谟?AI 計算機公司Graphcore僅通過在其 AI 處理器上安裝供電芯片，就大幅提高了其系統(tǒng)性能。添加供電硅意味著名為 Bow 的組合芯片可以運行得更快（1.85 GHz 與 1.35 GHz 相比），并且電壓低于其前身。與上一代相比，這意味著計算機訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度提高了 40%，能耗降低了 16%。重要的是，用戶無需更改其軟件即可獲得這種改進。

電源管理芯片由電容器和硅通孔組合而成。后者只是為處理器芯片提供電力和數(shù)據(jù)。真正與眾不同的是電容器。與 DRAM 中的位存儲組件一樣，這些電容器形成在硅中又深又窄的溝槽中。由于這些電荷儲存器非?？拷幚砥鞯木w管，因此功率傳輸變得平滑，從而使處理器內(nèi)核能夠在較低電壓下更快地運行。如果沒有供電芯片，處理器必須將其工作電壓提高到高于其標(biāo)稱水平才能在 1.85 GHz 下工作，從而消耗更多的功率。使用電源芯片，它也可以達到該時鐘頻率并消耗更少的功率。

用于制造BoW的制造工藝是獨一無二的，但不太可能保持這種狀態(tài)。大多數(shù) 3D 堆疊是通過將一個小芯片粘合到另一個小芯片上來完成的，而其中一個仍然在晶圓上，稱為晶圓上芯片 [參見上面的“AMD 的 Zen 3”]。相反，Bow 使用了臺積電的晶圓對晶圓，其中一種類型的整個晶圓與另一種類型的整個晶圓鍵合，然后切割成芯片。Graphcore 首席技術(shù)官Simon Knowles表示，這是市場上第一款使用該技術(shù)的芯片，它使兩個裸片之間的連接密度高于使用晶圓上芯片工藝所能達到的密度。

盡管供電小芯片沒有晶體管，但它們可能會出現(xiàn)。Knowles 說，僅將這項技術(shù)用于供電“對我們來說只是第一步”?！霸诓痪玫膶?，它會走得更遠?！?/p>

英特爾的 Ponte Vecchio 超級計算機芯片

英特爾的 Ponte Vecchio 處理器將 47 個小芯片集成到一個處理器中。

Aurora 超級計算機旨在成為 美國 首批突破 exaflop障礙的高性能計算機 (HPC)之一——每秒進行 10 億次高精度浮點計算。為了讓 Aurora 達到這些高度，英特爾的 Ponte Vecchio 將 47 塊硅片上的超過 1000 億個晶體管封裝到一個處理器中。英特爾同時使用 2.5D 和 3D 技術(shù)，將 3,100 平方毫米的硅片（幾乎等于四個Nvidia A100 GPU ）壓縮成 2,330 平方毫米的占地面積。

英特爾研究員 Wilfred Gomes告訴參加IEEE 國際固態(tài)電路會議的工程師，該處理器將英特爾的 2D 和 3D 小芯片集成技術(shù)推向了極限。

每個 Ponte Vecchio 都是使用英特爾 2.5D 集成技術(shù) Co-EMIB 捆綁在一起的兩個 鏡像小芯片集。Co-EMIB 在兩個 3D 小芯片堆棧之間形成高密度互連的橋梁。橋本身是嵌入封裝有機基板中的一小塊硅。硅上的互連線的密度可以是有機襯底上的兩倍。

Co-EMIB 管芯還將高帶寬內(nèi)存和 I/O 小芯片連接到“基礎(chǔ)塊”，這是堆疊其余部分的最大小芯片。

基礎(chǔ)tile使用英特爾的 3D 堆疊技術(shù)，稱為 Foveros，在其上堆疊計算和緩存小芯片。該技術(shù)在兩個芯片之間建立了密集的芯片到芯片垂直連接陣列。這些連接可以是 36 微米，除了短銅柱和焊料微凸塊。信號和電源通過硅通孔進入這個堆棧 ，相當(dāng)寬的垂直互連直接穿過大部分硅。

八個計算tile、四個緩存tile和八個用于從處理器散熱的空白“熱”tile都連接到基礎(chǔ)tile?；A(chǔ)本身提供緩存內(nèi)存和允許任何計算塊訪問任何內(nèi)存的網(wǎng)絡(luò)。

不用說，這一切都不容易。Gomes 說，它在良率管理、時鐘電路、熱調(diào)節(jié)和功率傳輸方面進行了創(chuàng)新。例如，英特爾工程師選擇為處理器提供高于正常電壓（1.8 伏）的電壓，以便電流足夠低以簡化封裝?；A(chǔ)塊中的電路將電壓降低到接近 0.7 V 以用于計算塊，并且每個計算塊必須在基礎(chǔ)塊中有自己的電源域。這種能力的關(guān)鍵是新型高效電感器，稱為同軸磁性集成電感器。因為這些都內(nèi)置在封裝基板中，所以在向計算塊提供電壓之前，電路實際上在基礎(chǔ)塊和封裝之間來回蜿蜒。

Gomes 說，從 2008 年的第一臺 petaflop 超級計算機到今年的 exaflops機器， 用了整整 14 年。Gomes 告訴工程師，但高級封裝（如 3D 堆疊）是可以幫助將下一個千倍計算改進縮短到僅六年的技術(shù)之一。

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