解密AMD面向未來的小芯片設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友報(bào)道（文/吳子鵬）Chiplet，小芯片，也被譯為芯粒，其核心思想是通過預(yù)先開發(fā)設(shè)計(jì)好的die直接集成到IC封裝中，以此來降低芯片開發(fā)的時(shí)間和成本。

目前主流的做法是，如果要打造一顆高性能的芯片，需要開發(fā)一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC），然后借助晶圓代工廠的先進(jìn)工藝將里面的功能單元微縮，在相同面積或者更小面積的裸片上實(shí)現(xiàn)更高的性能。很明顯，隨著特征尺寸逐漸逼近物理極限，且工藝復(fù)雜度越來越高，這條路越走下去難度會(huì)越大。

通俗地講，小芯片的方式就是像搭積木一樣制造芯片，AMD、英特爾、臺(tái)積電、Marvell、Cadence等產(chǎn)業(yè)巨頭對(duì)其都頗為關(guān)注，將其視為延續(xù)摩爾定律的選擇之一。在這里，我們看一下AMD在小芯片方面的布局。

可以說，業(yè)界如今對(duì)于小芯片的關(guān)注，AMD在其中起到了重要作用。小芯片概念最早可以追溯到上世紀(jì)七十年代的多芯片模組——將原來制造好的芯片再加以組裝。2014 年，芯片設(shè)計(jì)公司開始關(guān)注到這項(xiàng)技術(shù)。2016年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局Darpa 啟動(dòng)Chips 項(xiàng)目，里面提到了chiplet Reuse的想法。但小芯片真正聲名鵲起還是因?yàn)锳MD EYPC系列CPU的成功。

2017年，AMD 在其“Zen 2”架構(gòu)中使用小芯片來開發(fā)EYPC 服務(wù)器處理器“Naples”，根據(jù)當(dāng)時(shí)的AMD工程師表述，采用這樣的創(chuàng)新方式，比片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)減少了一半的成本，并大幅降低了設(shè)計(jì)時(shí)間。隨后，AMD在消費(fèi)級(jí) CPU和企業(yè)級(jí)EPYC 處理器中都部署了“Zen 2”小芯片技術(shù)。

AMD在官網(wǎng)中提到，“Zen 2”核心在“Zen”架構(gòu)之上進(jìn)行了重大更新。主要優(yōu)勢(shì)如下：
·時(shí)鐘周期指令數(shù)提升高達(dá) 15％
·3 級(jí)高速緩存容量翻倍（高達(dá)32MB）
·浮點(diǎn)吞吐能力翻倍（256位）
·OpCache 容量翻倍（4K）
·Infinity Fabric 帶寬翻倍（512位）
·全新的 TAGE 分支預(yù)測(cè)器

我們以Ryzen 3000為例來看一下這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)。在之前片上系統(tǒng)的AMD CPU中，會(huì)使用四個(gè)Zen CPU 模塊，而在Ryzen 3000中，AMD采用了Zen 2核心，也就是8個(gè)小CPU核心，采用臺(tái)積電7nm工藝，并搭載了采用格芯14nm工藝的I/O 芯片，既保證了性能，又降低了成本。

通過采用7nm工藝的小CPU核心，AMD EPYC Rome 處理器擁有多達(dá) 8 個(gè)芯片，從而使平臺(tái)能夠支持多達(dá) 64 個(gè)內(nèi)核。目前，小芯片技術(shù)已經(jīng)廣泛大量應(yīng)用于AMD的EPYC服務(wù)器CPU和線程撕裂者桌面CPU產(chǎn)品中。

在CPU取得成功之后，AMD又計(jì)劃將小芯片技術(shù)引入到了GPU領(lǐng)域。半導(dǎo)體制造設(shè)備也有光罩尺寸限制，這實(shí)質(zhì)上造成了一個(gè)障礙，無法制造更大的 GPU，這讓后續(xù)單顆GPU芯片的性能提升非常困難。在專利中AMD提到，由于多數(shù)應(yīng)用是以單個(gè)GPU為前提打造的，所以為了保留現(xiàn)有的應(yīng)用編程模型，將小芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在GPU上向來都是一大挑戰(zhàn)。

為了解決這一挑戰(zhàn)，AMD使用高帶寬互連來促進(jìn)小芯片之間的通信，AMD將這種交聯(lián)稱為 HBX。該方法具體的實(shí)現(xiàn)方式是將CPU連接到第一個(gè)GPU小芯片，并且用一個(gè)無源互連將L3緩存和小芯片之間的其他通道連接在一起。這意味著就 CPU而言，它與一個(gè)大GPU而不是一堆小GPU進(jìn)行通信。從開發(fā)人員的角度來看，GPU模型不會(huì)發(fā)生變化。

在 COMPUTEX 2021 上，AMD 總裁兼首席執(zhí)行官 Lisa Su分享了AMD在3D小芯片方面的最新進(jìn)展。她表示，AMD 將繼續(xù)利用 AMD 3D 小芯片技術(shù)鞏固其領(lǐng)先的 IP 和對(duì)領(lǐng)先制造和封裝技術(shù)的投資，這是一項(xiàng)封裝突破，使用行業(yè)領(lǐng)先的混合鍵合方法將 AMD 的創(chuàng)新小芯片架構(gòu)與3D堆疊相結(jié)合，提供超過200倍的互連密度，2D小芯片的數(shù)量和密度是現(xiàn)有 3D封裝解決方案的15倍以上。與臺(tái)積電密切合作率先推出的行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)，其能耗也低于當(dāng)前的3D解決方案，是世界上最靈活的主動(dòng)對(duì)主動(dòng)硅堆疊技術(shù)。