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处理器设计用或不用Chiplet都有学问…

时间:2020-11-18 作者:Don Scansen,EE Times专栏作者 阅读:
从Apple提供的官方宣传照来看,把M1处理器叫做“SoC”绝对不是言过其实,在上面看不到任何采用Chiplet整合方法的迹象──额外的互连以及通讯开销会带来比其价值更多的麻烦。
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最近《EE Times》美国版有读者气冲冲地留言,贬低目前的异质整合以及小芯片(Chiplet)技术,认为这些议题只是“炒冷饭”、并非创新,而且只是美国业者掩饰自己无力在半导体制造上保持世界领先的障眼法…虽然有不少被热烈讨论的封装层级整合方案确实并非从零开始的创新,但无疑我们在芯片整合设计上,正处于从系统单芯片(SoC)方法大幅转变的过程。YVwEETC-电子工程专辑

不过,苹果(Apple)刚刚发表的自家研发M1处理器就是一款全新的SoC设计范例,该处理器将进驻新款Macbook Air、Macbook Pro笔电,以及Mac Mini系列PC主机。从Apple提供的官方宣传照来看,把M1处理器叫做“SoC”绝对不是言过其实,在上面看不到任何采用Chiplet整合方法的迹象──额外的互连以及通讯开销会带来比其价值更多的麻烦。YVwEETC-电子工程专辑

Apple的M1处理器。YVwEETC-电子工程专辑
(图片来源:Apple)
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Apple偏好采用SoC设计的另一个论点是,他们基本上已经超越了采用其他任何人的实体布线IP核心的地步,他们自己负责设计所有的电路功能区块,专注于严密掌控实体设计和软硬件整合,以优化其系统并期望因此改善用户体验。他们不想采购别人设计的芯片或是IP硬核,拼凑到自己的处理器设计中。YVwEETC-电子工程专辑

在对纯SoC设计以及目前一些可能更适合Chiplet方法的设计进行比较之前,先来谈谈更多关于M1的信息。就像iPhone与iPad的处理器,Apple可能以自家芯片进驻旗下PC产品的传言已经存在好一段时间;一种曾被提及的方法是,Apple会以iOS软件搭配A系列芯片,直接将行动装置采用的Arm核心处理器推进传统PC领域。YVwEETC-电子工程专辑

有鉴于Apple将大多数资源投注于iPhone与iPad使得其PC业务受损,以上做法似乎是合理的,但我们现在看到Apple是为完整的OS X系统设计专属处理器。参考下图的M1芯片整体布局,其设计会让人非常容易联想到A系列处理器以及一般手机应用处理器;也许得花点时间才能发现两者之间有多少重迭之处,但我确信已经有不少分析师开始研究Apple的A14与M1之间的相似点。YVwEETC-电子工程专辑

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M1与A系列处理器之间有多少IP是重复使用?YVwEETC-电子工程专辑
(左方M1芯片图片来源为Apple,右方A13芯片图片来源为Techinsights)
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新一代的计算机──特别是Apple的笔电──通常不支持简单的RAM升级途径,因为是采用直焊BGA封装,而不是插入式模块。M1透过以处理器裸晶与DRAM共享封装基板的架构,更接近了此一概念。但请注意,这并不是Chiplet方法,Apple的官方照片显示它们是某种商用封装DRAM,与模块或主板上使用的相同。YVwEETC-电子工程专辑

Apple(尚)未自己设计DRAM,不过很高兴地将商用现成组件重新命名,在官方新闻稿中指出:“M1也具备统一内存架构,能在自定义的封装中整合高带宽、低延迟的单一内存池。这可让SoC中的所有技术能够存取同样的数据,不用来回复制其他内存池中的内容,进一步改善效能与效率。”YVwEETC-电子工程专辑

Apple声称,内建M1处理器的Macbook Air速度会是采用Intel处理器的版本的3.5倍。其性能提升的部分原因会是在新版本中使用的DRAM种类,可惜官方新闻稿中的“统一内存架构”并未提供任何线索。而处理器芯片本身结合了GPU,可能是另一个性能提升的原因;一旦有更多人拿到Apple的新款笔电,我们应该能取得更多信息。YVwEETC-电子工程专辑

回过头来分解芯片以及透过封装整合优化系统。比较M1 SoC与传统多核心处理器的芯片布局很有趣──举例来说,Intel曾生产一系列的微处理器,着眼笔电、桌面计算机与服务器等不同市场;其中笔电需要因应消费者寻找能上网之最便宜产品的需求,也要应付想要最佳性能的游戏玩家,因此Intel需要生产从几个核心到众多核心的芯片。这可以透过不同的设计或者是关闭某些核心以因应较低成本应用来达成,但无论哪种选项都不是很吸引人。YVwEETC-电子工程专辑

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左边的是新问世的Apple M1处理器芯片(图片来源:Apple),右边是Intel的18核心Skylake处理器(图片来源:Intel);你能指出哪个是Chiplet候选吗?YVwEETC-电子工程专辑

藉由将核心(以及其他功能)拆分为能按照需求在封装平台上整合的一个个Chiplet,能提供优化较窄范围应用的灵活性。这并不是说Chiplet方法就不会有额外的新成本,也还有一些技术挑战有待克服,但其潜能肯定存在。Intel一直透过两种分别名为Foveros以及EMIB (embedded multi-die interconnect bridge)的封装技术积极推广此一想法,都已经有芯片量产。YVwEETC-电子工程专辑

AMD也在这个领域十分活跃,其新款Zen 3架构设计就强调了Chiplet方法的可扩展性。AMD将设计分为运算核心芯片(compute core die,CCD)以及独立的I/O功能芯片(命名为比较没创意的IO die,IOD)。将命名常规放一边,新型Ryzen 5000芯片就是一个很好的Chiplet整合以及处理器核心扩展范例。YVwEETC-电子工程专辑

首先Ryzen设计只要添加第二个CCD就能增加更多核心,针对特定需求将核心数量加倍。其次,Ryzen是从异质角度来看整合的一个范例──其处理器裸晶是以台积电的7纳米工艺生产,IOD Chiplet则是以GlobalFoundries的12纳米工艺生产,这就是新典范能承诺的前景。YVwEETC-电子工程专辑

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(Source: AMD)YVwEETC-电子工程专辑

现在是时候来推测处理器未来发展的分叉了。Apple内部受控制的芯片设计市场非常特定,最多只有两种不同的产品类型──笔电与桌上型PC;在iMac产品线,笔者预期会重复使用相同的设计,毕竟以M1为基础的MacBook Pro采用与Air相同的M1,只是增加了风扇,让相同的处理器能再被「操」得更用力一点。Mac Pro桌面计算机产品线不太可能会有自己的专属芯片,只要Apple将持续支持该终端市场,该产品将会继续使用Intel处理器。YVwEETC-电子工程专辑

那么手机应用处理器呢?包括Apple的A系列处理器,以及Qualcomm的Snapdragon、Samsung的Exynos等,各家芯片业者还是会继续为该市场设计全SoC芯片。Intel与AMD则是不同的状况,这两家公司都会为超越Apple的所有不同类别计算机设计芯片,而且必须要“收割”广泛的可能使用者。YVwEETC-电子工程专辑

更大的设计弹性能提升掌握更广泛市场的可能性,长远看来,要覆盖有太多产品的市场,或是以相同芯片透过选择性启动更多核心以支持较高端应用产品,都有相当难度。Chiplet解决方案在这里就有发挥空间,我们已经看到AMD与Intel朝着这个方向前进。YVwEETC-电子工程专辑

编译:Judith Cheng  责编:Yvonne GengYVwEETC-电子工程专辑

(参考原文:Apple M1 Processor, Passing on the Chiplets,By Don Scansen;本文作者为半导体技术专家/IP顾问)YVwEETC-电子工程专辑

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