后摩尔定律时代 芯片发展新趋势

更多的晶体管意味着更快的速度，而这种稳定的增长推动了几十年的计算机进步。这是CPU制造商提高CPU速度的传统方式。但晶体管的这些进步正显示出放缓的迹象。多伦多大学电气和计算机工程教授Natalie Jerger说：“这已经没了动力。”

图片: Alex Cranz, Gizmodo

不只Jerger一个人这么说。2016年，《麻省理工学院技术评论》宣称，“摩尔定律已死”，今年1月，Register发布了一份摩尔定律的“死亡通知”。如果你在过去几年里买了一台笔记本电脑，你可能也注意到了。CPU看起来比前一年快不了多少。英特尔生产了我们的大多数笔记本电脑、台式机和服务器中CPU，自2014年以来，英特尔很少能够让CPU性能提高15%以上，而AMD，即使采用了一些相当激进的新设计方法，通常也只是与英特尔并驾齐驱。

在英特尔和AMD（直到最近）所采用的典型的“单片（monolithic）”设计风格中，CPU由半导体材料组成——通常都是硅。这就是所谓的芯片（die）。在芯片的顶部是一系列晶体管，因为它们都在同一个芯片上，所以它们可以快速地相互通信。更多的晶体管意味着更快的处理速度，理想情况下，当你缩小芯片的尺寸时，晶体管就会更紧密地组装在一起，并且可以更快地相互通信，从而带来更快的处理速度和更高的能源效率。在1974年，第一个微处理器，英特尔的8080，是建立在一个6微米的芯片上。明年的AMD处理器预计将建立在一个7纳米的芯片上。这几乎缩小了1000倍，而且速度快得多。

AMD的Threadripper比英特尔CPU大很多，因为它实际上将许多AMD CPU组合在一起。

（图片：Alex Cranz, Gizmodo）

但AMD最近凭借其听起来荒唐的Threadripper CPU实现了最大的速度提升。这些CPU核心数量从8个到32个不等。核心类似于CPU的引擎。在现代计算中，多核可以并行工作，允许某些利用多核的进程运行得更快。拥有32个内核可以将Blender中3D文件的渲染时间从10分钟缩短到仅一分半钟，PCWorld运行的这个基准测试可以看到这一点。

另外，32核处理器听起来很酷！AMD通过采用chiplet设计实现了这一点。它所有的现代CPU都使用一种叫做Infinity Fabric的东西。今年早些时候在接受Gizmodo采访时，AMD计算和图形业务部门前总经理Jim Anderson称，这是AMD最新的微架构Zen的“秘方”。与此同时，CTO Mark Papermaster称其为“隐藏的宝石”。

Infinity Fabric是一种基于开源的Hyper Transport的新系统总线架构。系统总线完成了你认为它会做的事情——从一个点到另一个点的数据总线。Infinity Fabric的巧妙之处在于它能够非常快地传输数据，并允许用它构建的处理器克服chiplet CPU设计的一个主要障碍：延迟。

图片: Alex Cranz, Gizmodo

chiplet的设计并不新鲜，但它通常很难实现，因为很难在单独的芯片上制造出一堆晶体管，使这些芯片尽可能快地相互通信。但有了AMD的Threadrippers，你就可以在无限的结构上配置许多典型的Ryzen CPU，它们的通信速度就像在一块芯片上一样快。

它运行得非常好，其结果是超高速处理器的制造成本非常低廉，以至于AMD能够以相当于英特尔几分之一的价格出售处理器，而英特尔继续在其高核心数量中使用单片设计。在某种程度上，Infinity Fabric是一种欺骗摩尔定律的方法，因为它不是单个快速CPU，而是通过Infinity Fabric连接的一系列CPU。所以AMD并没有克服摩尔定律的限制，而是绕过了摩尔定律。

Jerger说：“如果你回过头来说，‘好吧，摩尔定律实际上就是关于功能的更大集成。’我确实认为chiplet不会以任何方式帮助整合更多小型晶体管，但它确实帮助我们建立了比上一代人更强大的功能和能力的系统。”

英特尔最新的i9 CPU可能速度很快，但它仍运行在4年前的14纳米的基础上。

(图片: Alex Cranz, Gizmodo)

她指出，在某些情况下，这种围绕chiplet设计的对话是对一家公司更显著的失败的一种偏移。她指的是英特尔，在过去几年里，英特尔一直在努力克服晶体管不能永远微缩的局限性。它一直停留在14纳米处理器，而且一年以来一直承诺10纳米处理器，但未能兑现。对于英特尔来说，这是一个可怕的尴尬，当其他芯片制造商绕着这家芯片巨头跑了几圈之后，情况变得更加糟糕。今年，苹果售出了数百万部内置7纳米处理器的手机和iPad，而AMD则在2019年发货了12纳米处理器，并承诺在2019年推出7纳米处理器。AMD今年在台北举行的Computex大会上也公开让英特尔感到难堪：英特尔承诺在今年年底前推出一款28核的CPU（目前还没有出货），几天后，AMD推出了一款32核CPU，自8月份以来一直在出货，价格是英特尔CPU预计价格的一半。相比之下，英特尔最近承诺的2019年向10纳米工艺迁移的拖延已久的计划显得有些可悲。

这就是为什么你不应该把它对chiplet CPU设计的拥抱看作是一个巧合。在某种程度上，这似乎是英特尔在鼓吹很酷的创新，以转移人们对重大创新失败的关注，甚至跟上竞争对手的步伐。

英特尔的带有AMD GPU的G系列CPU就是英特尔采用chiplet设计的一个例子。

（图片：Alex Cranz, Gizmodo）

不过，尽管这款chiplet CPU是为了分散英特尔10纳米问题的注意力，但它实际上也相当酷。英特尔在chiplet设计方面的首次尝试是在去年春天相对低调地推出了G系列CPU。G系列CPU实际上是与AMD合作开发的，AMD提供了GPU，英特尔的CPU可以与之通信。英特尔没有依赖AMD的Infinity Fabric之类的东西，而是开发了一种名为嵌入式多模互连桥（EMIB）的东西，它可以让CPU、GPU和4 GB的高带宽内存以接近同一芯片上一系列组件的速度进行通信。它的速度很快，当我们在3月份进行测试时，它给我们留下了深刻的印象。它预示着一个很酷的未来，我们的集成GPU最终会变得像英伟达GTX和RTX系列这样的分立GPU一样快。

但EMIB也像是对英特尔本月早些时候宣布的一款产品进行的一次试水，该产品预计明年上市：它是一款10纳米CPU，带有集成3D堆叠的chiplet设计。与EMIB和Infinity Fabric一样，3D堆叠也是一种chiplet设计工具。但是，Infinity Fabric和EMIB只是让传统CPU部件更快地相互通信的方法，而3D堆叠增加了另一个维度。

使用3D堆叠的CPU布局示例。（图片：英特尔）

通常芯片被放置在一个水平面上，这样芯片的每个部分都可以与散热器接触，保持凉爽。3D堆叠，如果可以正确处理散热，则可以把CPU构建得更高而非更大。有点像高层建筑vs牧场式住宅。

英特尔对3D堆叠技术非常感兴趣，它认为3D堆叠技术比Infinity Fabric或EMIB更能避开摩尔定律。据英特尔工艺与产品集成总监Ramune Nagisetty称，这是摩尔定律的“进化”。她在几周前的谈话中澄清了一些事情：

“如果你花时间去挖掘戈登·摩尔写的那篇论文，你就会明白这一点。这真的很有趣，因为在那篇论文中的一段，他实际上预示了封装集成的使用。他没有使用我们今天使用的语言，但他确实说过，建立一个由小功能组成的大系统是更加经济的，这些小功能是分开封装并相互连接的。”

我不确定我是否完全同意Nagisetty认为这是一种演变的观点，但她和Jerger都承认，摩尔最初的论文中的语言有一些灵活性，而且这些封装集成（或称为chiplet设计）的确让新的CPU设计模式超出了摩尔在1965年设想的模式。

今年，我们还没有确切地看到摩尔定律的死亡，但英特尔和AMD都知道死期在快速逼近，二者选择了稍微不同的想法。这些公司现在正在接受一种允许他们制造许多更小、更定制化的芯片的设计，而不是制造一种速度快得令人难以置信、适用于大多数人的单一芯片。

对于Jerger而言，这种灵活性是令人兴奋的。她说：“在这之前，一切都是关于大批量生产——我必须生产大多数人想要的东西，因为这是我赚钱的唯一途径。现在，你可能会变得更加多样化，我认为这让学术界和初创企业有机会做一些很酷的硬件设计。”

想象一下，CPU是专门为你的计算机的精确需求而构建的。这就是我们正在走向的潜在未来。这一切都是从把单片芯片拆成chiplet开始的。