這顆采用 2.5D 封裝的芯片十分符合其“Ultra”的名頭：通過硅中介層將兩個 M1 Max 裸片集成在一起，帶來了驚人的 2.5TB / 秒的帶寬。但亮點卻在于，M1 Ultra 首次實現(xiàn)了兩顆 GPU 裸片的集成。這是過去的幾年來，AMD、英偉達、英特爾都宣稱要做，卻至今未能做到的成就。
憑借這一突破，蘋果終于如愿以償?shù)卦?GPU 領(lǐng)域?qū)τミ_構(gòu)成了挑戰(zhàn)。據(jù)蘋果所說，M1 Ultra 的 GPU 性能超過了英偉達的 GeForce RTX 3090，后者是目前市面上速度最快的 GPU。
踏入自研芯片領(lǐng)域不過幾年的蘋果，究竟是如何做到業(yè)內(nèi)首個 GPU 裸片集成的？而這一技術(shù)的實現(xiàn)，又將為巨頭爭霸的 GPU 市場，帶來什么樣的變局？
圖源：蘋果
AMD、英偉達紛紛折戟 GPU 裸片集成難在哪？
自 MCM（Multi Chip Module，多芯片模組）技術(shù)誕生以來，像搭建樂高一樣，在單一芯片中實現(xiàn)不同技術(shù)節(jié)點、不同功能的裸片的集成堆疊，成為了摩爾定律之外，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的另一路徑，其本質(zhì)在于將多個裸芯片和其它元器件組裝在同一塊多層互連基板上。
隨著臺積電、三星、英特爾的 2.5D / 3D 封裝逐漸成熟、商業(yè)化，在高端處理器領(lǐng)域，單顆芯片中 CPU 與 Memory、GPU 與 memory 的裸片集成，已不再是新鮮事。然而，兩顆 GPU 裸片的集成，在蘋果 M1 Ultra 發(fā)布之前，只存在于英偉達、AMD、英特爾的 PPT 中。
2017 年，英偉達發(fā)表論文詳細(xì)解釋了一種名為可組合封裝 GPU（Composable On-Package Architecture GPU，COPA GPU）的架構(gòu)，核心在于將多個 GPU 模塊和內(nèi)存系統(tǒng)模塊集成。同年，AMD 對外展示了由四個 GPU 裸片集成的 MCM 設(shè)計，宣稱其性能將比當(dāng)時最大的單片 GPU 的性能高 45.5%。
COPA GPU；來源：英偉達
然而，直到后來者英特爾在今年年初提出了一種 GPU 裸片集成解決方案，英偉達和 AMD 的多裸片集成 GPU 仍未問世。當(dāng)然，AMD、英偉達的 Instinct MI200 系列和 Hopper 系列據(jù)稱均有望在今年年底前姍姍來遲，但顯然，拖延癥讓他們在“業(yè)內(nèi)首個”上輸給了蘋果。
這種“拖延癥”背后的無奈，是市場和技術(shù)兩個方面的。廈門云天董事長于大全教授對筆者表示，過去對處理器的要求不那么高，一顆 GPU 裸片就夠了，兩顆集成的成本過高。這也與此前一些業(yè)內(nèi)觀點一致。有評論甚至認(rèn)為，對 GPU 需求最大的游戲領(lǐng)域，這樣的設(shè)計并無價值。
2020 年初，時任 AMD Radeon 技術(shù)事業(yè)部工程研發(fā)高級副總裁的 David Wang 在接受外媒采訪時就表示，多裸片集成的 GPU 幾乎不可能出現(xiàn)在 2021 年發(fā)布的 Navi 系列產(chǎn)品中，“我們正在研究 MCM 架構(gòu)，”他說，“但我們尚未得出結(jié)論，這是一種可以應(yīng)用于傳統(tǒng)游戲 GPU 的架構(gòu)?！?/p>
市場未成氣候外，技術(shù)難點則是 GPU 裸片集成的最大痛點。據(jù)于大全介紹，與 CPU+Memory 或 GPU+Memory 的裸片集成相比，GPU+GPU 的裸片集成最大的難點在于線路更細(xì)更密，就需要更多的接口（I / O），為此，就需要將用于引出裸片信號的凸點間距縮小到 50/40um 規(guī)格以下。
紅框標(biāo)注為凸點；圖源：英特爾
后來者蘋果彎道超車 臺積電無凸點技術(shù)幫了大忙？
從目前業(yè)內(nèi)最前沿技術(shù)來看，凸點間距縮小到 20um 以下已成為 2.5D / 3D 封裝的一大門檻，英特爾、臺積電均已將此作為先進封裝的研發(fā)重點，例如英特爾的 Foveros 就將凸點間距縮小到 10um，而臺積電的想法更加跳躍，提出了“無凸點”互連方法 SoIC，而這或許正是幫助蘋果彎道超車的利器。
從 C4 凸點到無凸點；圖源：臺積電
根據(jù)臺積電此前介紹，SoIC 是對前道芯片堆疊技術(shù)的統(tǒng)稱，主要特征是不再使用后道集成所用的凸點技術(shù)，轉(zhuǎn)而直接將裸片堆疊到一起。這種方法除了沒有“凸點間距”這一緊箍咒外，還能大大降低熱阻，不過缺點是必須在芯片最開始設(shè)計時就要一起被確定，技術(shù)要求自然更高。
據(jù)于大全介紹，蘋果很早就開始與臺積電共同研究無凸點連接方法，因此其也推測，正是這種技術(shù)，幫助蘋果 M1 Ultra 實現(xiàn)了 GPU 裸片集成?！埃闫c裸片間互聯(lián)）最終的解決方案就是無凸點，就是上下裸片之間銅對銅、介質(zhì)層對介質(zhì)層的這種鍵合?！庇诖笕f。
這種推論是有理由成立的。雖然蘋果在通稿中僅透露使用了在 2.5D 封裝常用的硅中介層，但結(jié)合蘋果官方給出的宣傳視頻和動畫模型來看，似乎使用了某種小型 Si 橋，在生產(chǎn)中實際上與英特爾的 EMIB 或 AMD 的 Elevated Fanout Bridge （EFB）相似，兩者均無凸點設(shè)計。
除此之外，蘋果是否為其 GPU 裸片集成設(shè)計了新的接口 IP 也讓人浮想。這一點在蘋果的新聞通稿中未置一詞，但從技術(shù)實現(xiàn)上來看，接口 IP 的重要性幾乎僅次于微凸點和 TSV 技術(shù)。于大全也表示，接口 I / O 變多，必須要采用新的解決方案。這也是英偉達、AMD 此前的重要發(fā)力點。
AMD 于 2020 年初宣布，將 Infinity Fabric 總線互聯(lián)技術(shù)升級至 Infinity Architecture，除了支持 CPU-CPU 集成外，還支持最多 8 個 GPU 芯片的連接以及 CPU-GPU 集成。同時表示，其新一代 El Capitan 超級計算機將搭載 Infinity Architecture，Genoa EPYC 基于 Zen 4 架構(gòu)，1 個 CPU 與 4 個 GPU 裸片集成。
英偉達早在 2014 年即推出了 NVLINK，實現(xiàn)了芯片層級的 GPU 的高速互聯(lián)，2016 年，發(fā)布了搭載 NVLINK 的第一款產(chǎn)品 P100，此后不斷進行更新?lián)Q代，并在 NVLINK 的基礎(chǔ)上推出了 NVIDIA NVSwitch，可在單個服務(wù)器節(jié)點中支持 8-16 個全互聯(lián)的 GPU，實現(xiàn)更高速度的通信。
需要指出的是，在這一層面上，蘋果方面的進展目前只能停留在猜測階段，但蘋果從來不會在技術(shù)不成熟的時候就推出產(chǎn)品，可以試圖推斷，蘋果雖然并未在新聞稿中提到接口 IP，但并不代表其在此方面并無突破，更大的可能是其對關(guān)鍵技術(shù)仍然有所保留。
寫在最后
無論如何，M1 Ultra 的推出，除了再次拔高外界對蘋果芯片能力的預(yù)期之外，還將 GPU 能力的擴展真正與先進封裝綁定了起來，雖然 GPU 進入多裸片集成時代是早就被預(yù)測的，但被產(chǎn)品搭載進入商業(yè)化量產(chǎn)是完全不同的概念，且實現(xiàn)這一目標(biāo)的是這一市場的新入者蘋果，就更加耐人尋味。
這或許將意味著，在 GPU 領(lǐng)域，先進封裝有望成為 X 因素，打破當(dāng)前英特爾、AMD、英偉達三強爭霸的格局，而掌握最高端先進封裝技術(shù)的臺積電亦或是英特爾，將擁有更大的話語權(quán)。
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