为什么Chiplets对处理器的未来如此重要？

Chiplets的主导地位才刚刚开始。

Chiplets已经使用了几十年，但它们之前一直被用于少量特殊的用途。现在，它们处于技术的最前沿，全世界有数百万人在台式电脑、工作站和服务器中使用它们。 处理器行业领导者利用Chiplets重新站在了创新的最前沿，可以预见未来Chiplets将成为计算世界的标准之一。因此，有必要了解Chiplets以及它们如此重要的确切原因。  

什么是Chiplets？  

Chiplets是分隔式的处理器。不是将每个部分合并到一个芯片中（被称为单片机的方法），而是将特定的部分作为独立的芯片来制造。

然后，这些独立的芯片通过一个复杂的连接系统被安装在一起，成为一个单一的封装。 这种安排使能够让使用最新的制造方法的部件尺寸缩小，提高了工艺的效率，使其能够装入更多的部件。

芯片中不能明显缩小或不需要缩小的部分可以用更旧的、更经济的方法生产。

虽然制造这种处理器的过程很复杂，但总体成本通常较低。此外，它为处理器公司提供了一个更易于管理的途径来扩大其产品范围。

为了充分理解为什么处理器制造商转向芯片，我们必须首先深入了解这些设备是如何制造的。

CPU和GPU开始时是由超纯硅制成的大圆盘，通常直径略小于12英寸（300毫米），厚度为0.04英寸（1毫米）。

这块硅片经历了一系列复杂的步骤，形成了不同材料的多层--绝缘体、电介质和金属。这些层的图案是通过一种叫做光刻的工艺创建的，在这种工艺中，紫外线通过放大的图案（掩膜）照射，随后通过透镜缩小到所需的尺寸。该图案以设定的间隔在晶圆表面重复出现，每一个都将最终成为一个处理器。

由于芯片是长方形的，而晶圆是圆形的，图案必须与圆盘的周边重叠。这些重叠的部分最终会被丢弃，因为它们是无功能的。

一旦完成，将使用应用于每个芯片的探针对晶圆进行测试。电检结果告知工程师关于处理器的质量与一长串标准的关系。这个初始阶段被称为芯片分选，有助于确定处理器的 "等级"。

例如，如果该芯片打算成为一个CPU，那么每个部分都应该正确运作，在特定的电压下在设定的时钟速度范围内运行。然后根据这些测试结果对每个晶圆部分进行分类。

完成后，晶圆被切割成单独的碎片，或称 "模具"，可供使用。然后，这些模具被安装在一个基板上，类似于一个专门的主板。

处理器经过进一步的包装（例如，用散热器），然后就可以进行销售了。整个过程可能需要数周的制造时间，台积电和三星等公司对每个晶圆收取高额费用，根据所使用的工艺节点，费用在3000至20000美元之间。 "工艺节点 "（Process node）是用来描述整个制造系统的术语。历史上，它们是以晶体管的栅极长度命名的。

然而，随着制造技术的改进，允许越来越小的组件，命名不再遵循芯片的物理方面，现在它只是一个营销工具。然而，每一个新的工艺节点都会带来比前者更多的好处。

它的生产成本可能更低，在相同的时钟速度下消耗更少的功率（或者相反），或者具有更高的密度。后者衡量的是在一个给定的芯片区域内可以容纳多少元件。

在下图中，你可以看到这些年来GPU（你在PC中发现的最大和最复杂的芯片）的发展情况。



工艺节点的改进为工程师提供了提高其产品能力和性能的手段，而不必使用大而昂贵的芯片。

然而，上图只说明了部分情况，因为不是处理器的每个方面都能从这些进步中受益。芯片内的电路可以被分配到以下几大类中的一类：

（1）逻辑，处理数据、数学和决策；

（2）存储器，通常是SRAM，用于存储逻辑的数据；

（3）模拟 ，管理芯片和其他设备之间信号的电路。

当逻辑电路随着工艺节点技术的每一次重大进步而继续缩小时，模拟电路几乎没有变化，SRAM也开始达到极限。



虽然逻辑仍然构成了芯片的最大部分，但今天的CPU和GPU中的SRAM数量在近年来有了显著增长。

例如，AMD在其Radeon VII显卡中使用的Vega 20芯片的L1和L2缓存合计为5MB。仅仅两代GPU之后，Navi 21就有超过130MB的各种缓存--比Vega 20多了25倍，令人瞩目。

可以预期，随着新一代处理器的开发，这些水平将继续提高，但由于存储器的规模没有像逻辑那样缩小，在同一工艺节点上制造所有电路的成本效益将越来越低。

在一个理想的世界里，人们在设计芯片时，模拟部分在最大和最便宜的节点上制造，SRAM部分在更小的节点上制造，而逻辑部分则保留给绝对尖端的技术。

不幸的是，这在实践中是无法实现的。然而，存在一种替代方法。

 分而治之

早在1995年，英特尔推出了其原始P5处理器的继任者--奔腾II。它与当时的常规产品不同的是，在塑料外壳下有一块电路板，里面有两个芯片：主芯片，包含所有的处理逻辑和模拟系统，以及一个或两个独立的SRAM模块，作为二级缓存。

英特尔公司生产主芯片，但缓存来自其他公司。在20世纪90年代中后期，这将成为台式电脑的相当标准，直到半导体制造技术改进到可以将逻辑、内存和模拟全部集成到同一芯片中。

虽然英特尔继续尝试在同一封装中使用多个芯片，但它在很大程度上坚持了所谓的处理器单片（monolithic）方法（即一个芯片用于一切）。

对于大多数处理器来说，不需要超过一个芯片，因为制造技术已经足够熟练（而且价格低廉），可以保持简单直接。然而，其他公司对遵循多芯片方法更感兴趣，最引人注目的是IBM。2004年，IBM提供了8芯片版本的POWER4服务器CPU，它由四个处理器和四个缓存模块组成，都安装在同一个机身内（称为多芯片模块或MCM方法）。

大约在这个时候，"异质集成"一词开始出现，部分原因是DARPA（国防高级研究计划局）所做的研究工作。异质集成的目的是将处理系统的各个部分分开，在最适合每个部分的节点上单独制造，然后将它们合并到同一个包中。 今天，这被称为系统级封装（SiP），从一开始就是为智能手表配备芯片的标准方法。

例如，第1代的Apple Watch在单一结构中装有一个CPU、一些DRAM和NAND闪存、多个控制器和其他组件。

通过将不同的系统全部放在单个芯片上（称为片上系统或SoC），可以实现类似的效果。但是，这种方法不允许利用不同的节点价格，也不能以这种方式制造每个组件。

对于技术供应商来说，对利基产品使用异构集成是一回事，但将其用于其大部分产品组合则是另一回事。这正是AMD对其处理器系列所做的。2017年，这家半导体巨头以单芯片Ryzen桌面CPU的形式发布了其Zen架构。几个月后，两条多芯片产品线Threadripper和EPYC首次亮相，后者拥有多达四个芯片。

随着两年后Zen 2的推出，AMD完全接受了异质集成，MCM，SiP 。他们将大部分模拟系统移出处理器，并将它们放入单独的芯片中。这些是在更简单、更便宜的工艺节点上制造的，而更高级的流程节点则用于剩余的逻辑和缓存。 自此，Chiplets成为流行。

 越小越好  

为了准确理解AMD为什么选择这个方向，我们来看看下面的图片。它展示了Ryzen 5系列的两款CPU，左边是采用所谓Zen+架构的2600，右边是由Zen 2驱动的3600。两种型号的散热器都已被拆除，照片是用红外相机拍摄的。2600的单芯片容纳了八个核心，尽管其中两个核心在这个特定的模型中被禁用。

这也是3600的情况，但在这里我们可以看到，封装中有两个模具--顶部的Core Complex Die（CCD），容纳了核心和缓存，底部的Input/Output Die（IOD）包含所有控制器（用于内存、PCI Express、USB等）和物理接口。 由于这两颗Ryzen CPU都适用于同一个主板插座，这两张图片基本上是按比例绘制的。

从表面上看，3600的两个芯片似乎比2600的单个芯片有更大的综合面积，但外表可能是欺骗性的。 如果我们直接比较包含核心的芯片，很明显可以看到旧型号中模拟电路所占用的空间（围绕着金色的核心和缓存的蓝绿颜色）。然而，在Zen 2 CCD中，用于模拟系统的芯片面积很少；它几乎完全由逻辑和SRAM组成。

Zen+芯片的面积为213平方毫米，由GlobalFoundries使用其12纳米工艺节点制造。对于Zen 2，AMD保留了GlobalFoundries对125平方毫米IOD的服务，但在73平方毫米的CCD上使用了台积电的N7节点。

Zen+ (上)vs Zen 2 CCD (下) 较新型号的芯片的综合面积更小，而且它还拥有两倍的L3缓存，支持更快的内存和PCI Express。然而，Chiplets方法最好的部分是，CCD的紧凑尺寸使AMD有可能将另一个CCD装入包装。这一发展催生了Ryzen 9系列，为台式电脑提供12和16核型号。更重要的是，通过使用两个较小的芯片而不是一个大的芯片，每个晶圆可能会产生更多的芯片。

就Zen 2 CCD而言，一块12英寸（300毫米）的晶圆可以比Zen+型号多生产85%的芯片。 从晶圆上取下的切片越小，就越不可能发现制造缺陷（因为它们往往是随机分布在光盘上的），所以考虑到所有这些，Chiplets不仅使AMD有能力扩大其产品组合，而且成本效益更高。相同的CCD可用于多个型号，每个晶圆可生产数百个。 但是，如果这种设计选择如此有优势，为什么英特尔不这样做呢？为什么我们没有看到它被用于其他处理器，如GPU？

 跟随潮流

为了解决第一个问题，英特尔确实在采用全芯片路线，而且它的下一个消费者CPU架构（Meteor Lake）也将这样做。英特尔的方法有些独特，让我们来看看它与AMD的方法有何不同。 这一代处理器使用 "区块（tile）"一词而不是 "芯片"，将以前的单片式设计分割成四个独立的芯片：（1）计算区块：包含所有的内核和二级缓存；（2）GFX区块：容纳集成GPU；（3）SOC区块：整合了L3高速缓存、PCI Express和其他控制器；（4）IO区块：容纳内存和其他设备的物理接口。

在SOC和其他三个区块之间存在高速、低延迟的连接，并且所有这些区块都与另一个被称为插板的芯片相连。这个插板为每个芯片提供电源，并包含它们之间的导线。然后，插板和四块区块被安装到另一块板上，以便将整个组件封装起来。

与英特尔不同，AMD不使用任何特殊的安装模具，而是有自己独特的连接系统，被称为Infinity Fabric，以处理芯片数据交易。电源传输通过一个相当标准的封装运行，而且AMD还使用较少的芯片。那么，为什么英特尔的设计是这样的呢？ AMD的方法的一个挑战是，它不太适合超移动、低功耗领域。

这就是为什么AMD在该领域仍然使用单片式CPU。英特尔的设计允许他们混合和匹配不同的区块以满足特定的需求。例如，经济型笔记本电脑的预算型号可以到处使用小得多的芯片，而AMD只有一种尺寸的芯片用于每种用途。 英特尔系统的缺点是生产复杂且昂贵，尽管现在预测这将如何影响零售价格还为时尚早。然而，两家CPU公司都完全致力于芯片的概念。一旦制造链的每一部分都围绕它进行设计，成本就会降低。



关于GPU，与芯片的其他部分相比，它们包含的模拟电路相对较少，但里面的SRAM数量正在稳步增加。

这就是为什么AMD将其芯片知识应用于其最新的Radeon 7000系列，Radeon RX 7900 GPU包括多个芯片--一个用于核心和二级缓存的大芯片，以及五六个Chiplets，每个芯片包含一片L3缓存和一个内存控制器。

通过将这些部件移出主芯片，工程师们能够大大增加逻辑数量，而不需要使用最新的工艺节点来控制芯片尺寸。然而，这一变化并没有增强图形组合的广度，尽管它可能确实有助于改善整体成本。

目前，英特尔和英伟达在其GPU设计方面没有显示出跟随AMD的迹象。

两家公司都使用台积电承担所有的制造任务，似乎满足于生产极其庞大的芯片，将成本转嫁给消费者。

随着图形领域的收入稳步下降，可能会在未来几年内看到每个GPU供应商都采用同样的路线。

用Chiplets实现摩尔定律

尽管在半导体制造方面取得了巨大的技术进步，但每个部件可以缩小的程度是有明确限制的。为了继续提高芯片的性能，工程师们基本上有两个途径：增加更多的逻辑，用必要的内存来支持它，以及提高内部时钟速度。关于后者，一般的CPU在这方面已经多年没有明显的变化了。

AMD的FX-9590处理器，从2013年开始，在某些工作负载中可以达到5GHz，而其当前型号的最高时钟速度是5.7GHz（Ryzen 9 7950X）。

英特尔最近推出了酷睿i9-13900KS，在合适的条件下能够达到6GHz，但其大多数型号的时钟速度与AMD的相近。 然而，改变的是电路和SRAM的数量。前面提到的FX-9590有8个核心（和8个线程）和8MB的L3缓存，而7950X3D拥有16个核心、32个线程和128MB的L3缓存。

英特尔的CPU在核心和SRAM方面也有类似的扩展。 Nvidia的第一个统一着色器GPU，即2006年的G80，由6.81亿个晶体管、128个内核和96 kB的二级缓存组成，其芯片面积为484 mm2。快进到2022年，当AD102推出时，它现在由763亿个晶体管、18432个内核和98304 kB的二级缓存组成，芯片面积为608 mm2。

1965年，飞兆半导体公司的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）观察到，在芯片制造的早期，在固定的最低生产成本下，芯片内的元件密度每年都在翻番。这一观察被称为摩尔定律，后来根据制造趋势，被解释为 "芯片中的晶体管数量每两年翻一番"。

近六十年来，摩尔定律一直是对半导体行业发展进程的合理准确描述。CPU和GPU在逻辑和内存方面的巨大进步是通过工艺节点的不断改进实现的，这些年来，组件变得越来越小。然而，这种趋势不可能永远持续下去，无论出现什么新技术。

像AMD和英特尔这样的公司并没有等待这个极限的到来，而是转向了Chiplets，探索它们的各种组合方式，以继续在创造更强大的处理器方面取得进展。

几十年后的今天，普通的个人电脑可能是由手掌大小的CPU和GPU组成的，但是剥开散热片，你会发现有许多微小的芯片--不是三四个，而是几十个，都巧妙地拼接和堆叠在一起。

Chiplets的主导地位才刚刚开始。 





审核编辑：刘清