老瓶裝新酒，CPU和GPU巨頭的不謀而合

2022年08月18日 15:43:39 來源：半導體產(chǎn)業(yè)縱橫

　　近些年，以CPU和GPU為代表的處理器在應用需求的推動下，相關的設計、制造和封裝等技術都在發(fā)展變化當中。封裝方面，雖然當下的3D技術很熱，但對于絕大多數(shù)處理器來說，2D和2.5D封裝技術仍是主流，而傳統(tǒng)的MCM(Multi-Chip-Module，多芯片模塊)煥發(fā)了第二春，各大CPU和GPU廠商都在大規(guī)模部署采用這種封裝技術的產(chǎn)品。

　　MCM是一種由兩個及以上Die，或者芯片尺寸封裝(CSP)的IC組裝在一個基板上的模塊，形成一個電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)，基板可以是PCB、陶瓷或硅片。整個MCM可以封裝在基板上，也可以封裝在封裝體內。MCM可以是便于安裝在電路板上的標準化封裝，也可以是一個具備電子功能的模塊，它們都可直接安裝到電子系統(tǒng)中(PC、儀器、機械設備等)。

　　MCM可分為以下三種基本類型：

　　MCM-L：是采用片狀多層基板的MCM，MCM-L是高密度封裝的PCB技術，適用于采用鍵合和FC工藝的MCM。MCM-L不適用于有長期可靠性要求和使用環(huán)境溫差大的場合。

　　MCM-C：是采用多層陶瓷基板的MCM，適于模擬電路、數(shù)字電路、混合電路、微波器件等多種應用。

　　MCM-D：是采用薄膜技術的MCM，MCM-D的基板由多層介質、金屬層和基材組成。介質層要求薄，金屬互連要細小，同時具備適當?shù)幕ミB阻抗。

　　MCM封裝的優(yōu)點可以概括為以下三點：1、可大幅提高電路連線密度，提升封裝效率;2、可完成“輕、薄、短、小”的封裝設計;3、可提升封裝的可靠性。

　　近些年，SiP封裝技術深入產(chǎn)業(yè)人心，那么，MCM與它相比如何呢?實際上，芯片封裝技術的發(fā)展是不斷進步和創(chuàng)新的過程，是對原有技術的整理、迭代、創(chuàng)新和再發(fā)展，MCM和SiP也是如此。MCM是在各種高密度多層基板上封裝，主體是Die，制成部件的電路一般較為復雜，因此，MCM是一種高級混合集成技術。SIP的市場規(guī)模和增長空間比MCM大，SIP是MCM進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是芯片和元器件在不同工作頻段的高密度組裝和互連。MCM主要通過將各種Die堆疊連接，元器件較少，通常以數(shù)字芯片、存儲器為主，而SIP可封裝不同制程工藝、不同功能的芯片，芯片之間可進行信號的存取和交換，從而實現(xiàn)一個系統(tǒng)目標產(chǎn)品的全部互連、功能和性能。

　　可見，相對而言，SiP比MCM先進，但這并不影響后者被越來越多的CPU和GPU廠商采用。因此，成熟的技術并不一定不如先進技術，這與近些年成熟制程節(jié)點技術火爆，產(chǎn)能供不應求的局面有異曲同工之妙。

　　MCM CPU大行其道

　　對于CPU而言，MCM并不是新技術，早在1995年，英特爾推出Pentium Pro時，就曾采用MCM封裝技術，用以提升處理器執(zhí)行效能。2005年，發(fā)布新款Pentium D和Xeon 5000系列CPU時，也都采用了MCM封裝技術，當時是業(yè)界首款雙核CPU。

　　不過，過去十幾年，主流多核CPU更多采用原生多核設計，直到近幾年，原生多核設計CPU的核心數(shù)量很難有更高增長，使得MCM封裝技術重新嶄露頭角。

　　目前來看，越來越多新一代多核CPU開始采用MCM封裝。2018年前后，AMD在設計64核服務器CPU時，就采用了該技術。AMD的這一設計是領先英特爾的，價格只是競爭對手Xeon處理器的一半，而且還更省電。做到這一點，是因為AMD采取了“老設計，新制程”策略，“老設計”就是已經(jīng)很成熟的MCM封裝技術，“新制程”則是采用當時最先進的7nm制程，以提高核心密度。近兩年，AMD將該思路進一步拓展，也就是當下最為火爆的Chiplet及其封裝技術。

　　對于CPU，特別是服務器CPU廠商來說，多核產(chǎn)品已經(jīng)是標配，因為它不僅功耗更低，良率也能提高不少。采用MCM封裝設計，廠商在設計多核CPU時，不用非要將所有核都放入單一晶粒，而是可以設計成多晶粒架構，也就是將一個大核分拆成多個小核，封裝在多個晶粒里，再整合成單一CPU。與原生多核設計相比，采用MCM封裝設計的多核CPU，核數(shù)可以實現(xiàn)突破性增長，甚至翻倍，這也是近些年AMD服務器CPU市場規(guī)模快速增長的一個原因。

　　不止AMD，原本主張原生多核設計的英特爾，也不得不做出妥協(xié)，近些年在設計新款多核CPU時，重新采用MCM封裝，以實現(xiàn)更多核心數(shù)量和更高效能。

　　2019年發(fā)布第十代HEDT高端桌面處理器之后，英特爾已有兩年多沒推出HEDT新品，最新消息顯示，該公司可能在2022下半年推出Golden Cove高性能核心HEDT產(chǎn)品，主要是Sapphire Rapids-AP。

　　在最近泄露的Xeon CPU基準測試中，消息人士表示，英特爾正在醞釀Sapphire Rapids-AP新陣容，其中“AP”曾被用于使用MCM封裝的旗艦級Cascade Lake-AP產(chǎn)品線。Sapphire Rapids-SP系列已采用過4組MCM設計，每個芯片最多有15個核，Sapphire Rapids-SP被視作“AP”的衍生版本。有消息稱，HEDT產(chǎn)品線雖然針對臺式機市場，但英特爾更傾向于將其投放到工作站市場。作為采用MCM封裝的產(chǎn)品，Sapphire Rapids系列包含許多款SKU，旗艦款的熱設計功耗可輕松突破350W。

　　近幾年，蘋果正在爭奪英特爾和AMD的CPU市場，特別是筆記本電腦，蘋果在較短時間內取得了不錯的業(yè)績。該公司設計的CPU同樣看中了MCM封裝設計。2021年12月，有業(yè)內人士展示了M1 Max芯片底部的隱藏部分，如下圖所示，所展示的就是MCM，蘋果采用該封裝設計的主要目的是將多個Die堆疊在一起，從而大大增加CPU和GPU內核數(shù)量。

　　GPU跟進

　　隨著GPU在數(shù)據(jù)中心的應用越來越普及，原本用于CPU的MCM封裝技術開始向GPU領域滲透，特別是高性能計算，在業(yè)界受到了越來越多的關注。

　　傳統(tǒng)顯卡是帶有多個GPU的PCB板卡，需要連接兩個獨立顯卡的Crossfire或SLI橋接器。傳統(tǒng)的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 總線來交換數(shù)據(jù)、紋理、同步等。由于GPU之間的渲染時間會產(chǎn)生同步問題，因此在許多情況下，傳統(tǒng)的雙GPU顯卡，即單個PCB上的兩個芯片由它互連，每個芯片都有自己的VRAM。SLI或CrossFire的能耗很大，冷卻也是一個挑戰(zhàn)，這些在很長一段時間內都困擾著工程師。MCM是一個單獨封裝，其板載橋接器取代了傳統(tǒng)兩個獨立顯卡之間的Crossfire或SLI橋接器。在高性能計算應用領域，這種采用MCM封裝的GPU優(yōu)勢明顯。

　　最早將MCM封裝技術引入GPU的是AMD。2020年，該公司把游戲卡與專業(yè)卡的GPU架構分家了，游戲卡的架構是RDNA，而專業(yè)卡的架構是CDNA，首款產(chǎn)品是Instinct MI100系列。2021年，AMD的Q2財報確認CDNA 2 GPU已經(jīng)向客戶發(fā)貨了，其GPU核心代號是Aldebaran，它成為該公司首款采用MCM封裝的產(chǎn)品。在PC方面，2022年引入下一代RDNA 3架構后，基于MCM的消費級Radeon GPU也會出現(xiàn)。

　　制造多芯片計算 GPU 類似于制造多核 MCM CPU，例如Ryzen 5000或Threadripper處理器。首先，將芯片靠得更近可以提高計算效率。AMD 的 Infinity 架構確保了高性能互連，有望使兩個芯片的效率接近一個的。其次，使用先進的工藝技術批量生產(chǎn)多個小芯片比大芯片更容易，因為小芯片通常缺陷較少，因此比大芯片的產(chǎn)量更好。

　　不久前，AMD發(fā)布了基于RDNA 3架構的GPU，也就是Radeon RX 7000，該系列最新顯卡有三款GPU，分別是Navi 31、Navi 32和Navi 33，其中，Navi 31和Navi 32將采用MCM封裝。

　　GPU大廠英偉達也在跟進MCM封裝。

　　目前，英偉達在MCM封裝GPU上的方案稱為“Composable On Package GPU”(COPA)。COPA GPU架構具有混合/匹配多個硬件塊能力，它能更好地適應當今高性能計算的動態(tài)工作負載和深度學習環(huán)境。這種整合更適應多種類型工作負載，可帶來更高水平的GPU復用。