處理器設計用或不用Chiplet都有學問…

作者 : Don Scansen,EE Times專欄作者

從Apple提供的官方宣傳照來看,把M1處理器叫做「SoC」絕對不是言過其實,在上面看不到任何採用Chiplet整合方法的跡象──額外的互連以及通訊開銷會帶來比其價值更多的麻煩。

最近《EE Times》美國版有讀者氣沖沖地留言,貶低目前的異質整合以及小晶片(Chiplet)技術,認為這些議題只是「炒冷飯」、並非創新,而且只是美國業者掩飾自己無力在半導體製造上保持世界領先的障眼法…雖然有不少被熱烈討論的封裝層級整合方案確實並非從零開始的創新,但無疑我們在晶片整合設計上,正處於從系統單晶片(SoC)方法大幅轉變的過程。

不過,蘋果(Apple)剛剛發表的自家研發M1處理器就是一款全新的SoC設計範例,該處理器將進駐新款Macbook Air、Macbook Pro筆電,以及Mac Mini系列PC主機。從Apple提供的官方宣傳照來看,把M1處理器叫做「SoC」絕對不是言過其實,在上面看不到任何採用Chiplet整合方法的跡象──額外的互連以及通訊開銷會帶來比其價值更多的麻煩。

 

Apple的M1處理器。
(圖片來源:Apple)

 

Apple偏好採用SoC設計的另一個論點是,他們基本上已經超越了採用其他任何人的實體佈線IP核心的地步,他們自己負責設計所有的電路功能區塊,專注於嚴密掌控實體設計和軟硬體整合,以最佳化其系統並期望因此改善使用者體驗。他們不想採購別人設計的晶片或是IP硬核,拼湊到自己的處理器設計中。

在對純SoC設計以及目前一些可能更適合Chiplet方法的設計進行比較之前,先來談談更多關於M1的資訊。就像iPhone與iPad的處理器,Apple可能以自家晶片進駐旗下PC產品的傳言已經存在好一段時間;一種曾被提及的方法是,Apple會以iOS軟體搭配A系列晶片,直接將行動裝置採用的Arm核心處理器推進傳統PC領域。

有鑑於Apple將大多數資源投注於iPhone與iPad使得其PC業務受損,以上做法似乎是合理的,但我們現在看到Apple是為完整的OS X系統設計專屬處理器。參考下圖的M1晶片整體佈局,其設計會讓人非常容易聯想到A系列處理器以及一般手機應用處理器;也許得花點時間才能發現兩者之間有多少重疊之處,但我確信已經有不少分析師開始研究Apple的A14與M1之間的相似點。

 

M1與A系列處理器之間有多少IP是重複使用?
(左方M1晶片圖片來源為Apple,右方A13晶片圖片來源為Techinsights)

 

新一代的電腦──特別是Apple的筆電──通常不支援簡單的RAM升級途徑,因為是採用直焊BGA封裝,而不是插入式模組。M1透過以處理器裸晶與DRAM共用封裝基板的架構,更接近了此一概念。但請注意,這並不是Chiplet方法,Apple的官方照片顯示它們是某種商用封裝DRAM,與模組或主機板上使用的相同。

Apple(尚)未自己設計DRAM,不過很高興地將商用現成元件重新命名,在官方新聞稿中指出:「M1也具備統一記憶體架構,能在自訂的封裝中整合高頻寬、低延遲的單一記憶體池。這可讓SoC中的所有技術能夠存取同樣的資料,不用來回複製其他記憶體池中的內容,進一步改善效能與效率。」

Apple聲稱,內建M1處理器的Macbook Air速度會是採用Intel處理器的版本的3.5倍。其性能提升的部分原因會是在新版本中使用的DRAM種類,可惜官方新聞稿中的「統一記憶體架構」並未提供任何線索。而處理器晶片本身結合了GPU,可能是另一個性能提升的原因;一旦有更多人拿到Apple的新款筆電,我們應該能取得更多資訊。

回過頭來分解晶片以及透過封裝整合最佳化系統。比較M1 SoC與傳統多核心處理器的晶片佈局很有趣──舉例來說,Intel曾生產一系列的微處理器,著眼筆電、桌上型電腦與伺服器等不同市場;其中筆電需要因應消費者尋找能上網之最便宜產品的需求,也要應付想要最佳性能的遊戲玩家,因此Intel需要生產從幾個核心到眾多核心的晶片。這可以透過不同的設計或者是關閉某些核心以因應較低成本應用來達成,但無論哪種選項都不是很吸引人。

 

左邊的是新問世的Apple M1處理器晶片(圖片來源:Apple),右邊是Intel的18核心Skylake處理器(圖片來源:Intel);你能指出哪個是Chiplet候選嗎?

 

藉由將核心(以及其他功能)拆分為能按照需求在封裝平台上整合的一個個Chiplet,能提供最佳化較窄範圍應用的靈活性。這並不是說Chiplet方法就不會有額外的新成本,也還有一些技術挑戰有待克服,但其潛能肯定存在。Intel一直透過兩種分別名為Foveros以及EMIB (embedded multi-die interconnect bridge)的封裝技術積極推廣此一想法,都已經有晶片量產。

AMD也在這個領域十分活躍,其新款Zen 3架構設計就強調了Chiplet方法的可擴展性。AMD將設計分為運算核心晶片(compute core die,CCD)以及獨立的I/O功能晶片(命名為比較沒創意的IO die,IOD)。將命名常規放一邊,新型Ryzen 5000晶片就是一個很好的Chiplet整合以及處理器核心擴展範例。

首先Ryzen設計只要添加第二個CCD就能增加更多核心,針對特定需求將核心數量加倍。其次,Ryzen是從異質角度來看整合的一個範例──其處理器裸晶是以台積電的7奈米製程生產,IOD Chiplet則是以GlobalFoundries的12奈米製程生產,這就是新典範能承諾的前景。

 

(Source: AMD)

現在是時候來推測處理器未來發展的分叉了。Apple內部受控制的晶片設計市場非常特定,最多只有兩種不同的產品類型──筆電與桌上型PC;在iMac產品線,筆者預期會重複使用相同的設計,畢竟以M1為基礎的MacBook Pro採用與Air相同的M1,只是增加了風扇,讓相同的處理器能再被「操」得更用力一點。Mac Pro桌上型電腦產品線不太可能會有自己的專屬晶片,只要Apple將持續支援該終端市場,該產品將會繼續使用Intel處理器。

那麼手機應用處理器呢?包括Apple的A系列處理器,以及Qualcomm的Snapdragon、Samsung的Exynos等,各家晶片業者還是會繼續為該市場設計全SoC晶片。Intel與AMD則是不同的狀況,這兩家公司都會為超越Apple的所有不同類別電腦設計晶片,而且必須要「收割」廣泛的可能使用者。

更大的設計彈性能提升掌握更廣泛市場的可能性,長遠看來,要覆蓋有太多產品的市場,或是以相同晶片透過選擇性啟動更多核心以支援較高階應用產品,都有相當難度。Chiplet解決方案在這裡就有發揮空間,我們已經看到AMD與Intel朝著這個方向前進。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Apple M1 Processor, Passing on the Chiplets,By Don Scansen;本文作者為半導體技術專家/IP顧問)

 

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