在小芯片CPU尝到甜头，AMD向Chiplet GPU进发！

电子发烧友报道（文/周凯扬）在HPC应用上，对突破性能的追求是从未停歇的，尤其是在人工智能、机器学习和大数据分析等新兴应用提出更高的性能要求后。但制程突破的速度已经逐渐放缓，每个工艺节点带来的频率红利也在慢慢变小。而为了减少生产和开发成本，提高良率，不少CPU制造商都开始看向小芯片。

2020年的最后一天，AMD公布了自己在小芯片GPU上的专利，引起了不少热议。大家都在猜测，小芯片是否能成为后摩尔时代芯片设计创新的利器呢？

AMD：从小芯片CPU走向小芯片GPU

AMD从很早开始就在小芯片上发力了，不管是EPYC服务器CPU还是线程撕裂者桌面CPU，都大量运用了小芯片设计。在AMD看来，传统的单片处理器将一个或多个CPU核心放置在单个裸片上，以此加速时钟频率和缓存读取，虽然这种策略对于需要重度CPU使用的工作来说非常合理，但仍有其限制。而小芯片设计可以带来更快的架构创新，尤其是在数据中心等应用上。

在去年的ISSCC 2020上，AMD重点提到了小芯片在第二代EPYC服务器CPU上带来的优势。运用Zen 2架构的EPYC服务器CPU上，AMD在CPU核心上运用了台积电代工的7nm小芯片，IOD仍然采用Global Foundries的14nm制程。AMD提到这种设计实现了更高的核心数和更高的性能，而且显著降低了成本。

而AMD近期公布的小芯片GPU专利同样掀起了不小的浪花，该专利展示了一种使用高带宽交联的小芯片GPU设计方案。

小芯片GPU / AMD

在该专利中，AMD提到，由于多数应用是以单个GPU为前提写就的，所以为了保留现有的应用编程模型，将小芯片设计实现在GPU上向来都是一大挑战。而该专利利用一根总线将第一个GPU小芯片与CPU相连，余下的GPU用被动交联连接。

如今许多架构至少拥有一级缓存连贯分布在整个GPU裸片上，比如L3或其他最后一级缓存（LLC）。而这种设计中，这些物理资源被放置在不同的裸片上，并提供通信连接以保证其缓存连贯性。在工作过程中，内存地址请求从CPU发往一个GPU小芯片，后者与高带宽被动交联沟通以定位所需数据，因此从CPU的角度来看，仍然是在一个单独的GPU上寻址。

Intel：以小芯片打造客户2.0的芯片

芯片方案演化 / Intel

Intel在去年的架构日上给出了他们在IP/SOC上的策略改变，在过去整合的单片SOC中，开发周期长达3到4年，而且在投入使用后，制造商和用户会在芯片上发现上百个Bug。而演化至多裸片的基本小芯片结构后，将GPU、CPU和IO放置在不同的裸片上，开发周期缩减至2-3年，Bug数目缩减至十数个，不仅如此，小芯片设计还可以重复使用。最后则是Intel对未来小芯片结构的展望，将不同的IP放在最优制程的小芯片上，比如内存、I/O或图形等，从IP或小芯片层面上来做验证，因此Bug数目不足十个，开发周期仅需1年。

客户2.0方案 / Intel

这样的设计也让Intel对芯片定位有了更多的自由，比如游戏玩家需要更多的图形性能，而开发者则更渴求高算力的和强大的AI性能等。这也就是Intel设想的客户2.0愿景，通过智能感知带给消费者无缝的高性能体验。

尽管GPU一直是Intel的弱项之一，但这并不代表Intel没有在显示领域上发力。自从Intel从AMD的图形部门挖走首席架构师Raja Koduri以来，Intel就开始在独立显卡上发力。Intel于2019年末公布了超算级别的GPU，代号名为Ponte Vecchio，该GPU基于7nm工艺和小芯片技术，将于2021年年内安装在Aurora超级计算机上作为图形加速器使用。

小芯片的后盾：新的互联与封装技术

如果没有创新的互联与封装技术，小芯片设计同样是无法立足的。在小芯片的封装上，Intel已经规划好了详细的封装路线图。

处理器封装路线图 / Intel

在Kaby Lake G处理器和Agilex FPGA上，Intel已经实现了EMIB这种2.5D的封装方式。而Intel在Lakefield系列处理器上使用的Foveros 3D封装技术则是对EMIB的进一步补充，该技术可将凸起高度进一步降低至50-25um，并实现接近1000 IO/mm2的密度。

Infinity架构 / AMD

但要想分解后的小芯片也能保持联通，这就是互联技术派上用场的地方，比如AMD在Zen架构CPU中引入的Infinity Fabric。AMD将Infinity Fabric视为连接各大产品线的基石，通过第三代Infinity框架，AMD得以为CPU与GPU之间提供大带宽和低延迟的连接、统一的内存访问，提升AMD产品的结合性能并简化编程。

小结

去年的全球硬科技创新大会上，芯动科技、紫光存储等成立了中国Chiplet产业联盟，推动国内的小芯片发展。芯动科技在2020年推出了国产自主Chiplet标准INNOLINK，让庞大的数据在小芯片之间低延迟传输。

INNOLINK解决方案 / 芯动科技

至于AMD的小芯片GPU，其实如此架构可能更有可能用于未来的CDNA数据中心GPU，而不是下一代RDNA消费级GPU。因为对于消费级GPU来说，很大一部分场景是对延迟极度敏感的游戏应用，这正是小芯片GPU必须要先突破的限制，如果小芯片GPU有着SLI和CrossFire一样大的延迟的话，无疑也会淡出人们的视野。

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