mcm封裝技(jì)術(shù)的重要性在哪裏？

        近些(xiē)年，GPU在業界的重要性愈加凸出，無論是在高(gāo)性能計(jì)算(suàn)，還(hái)是在消費級領域，其對用戶的粘性越來(lái)越強，英偉達的火(huǒ)爆就是得(de)益于其核心的GPU技(jì)術(shù)和(hé)産品，在這種情況下，傳統巨頭英特爾坐(zuò)不住了，原本隻是在消費級市場(chǎng)生(shēng)産集成GPU顯卡，市場(chǎng)需求的變化使得(de)英特爾開(kāi)始組建獨立GPU研發團隊，并投入了越來(lái)越多(duō)的資源，以應對英偉達和(hé)AMD的競争，特别是在高(gāo)性能計(jì)算(suàn)領域。

在高(gāo)性能應用領域，對GPU的功耗和(hé)成本可(kě)控的要求越來(lái)越高(gāo)，這就對相關技(jì)術(shù)提出了更高(gāo)的要求，包括芯片設計(jì)方法、EDA工具、制(zhì)程工藝，以及封裝技(jì)術(shù)，要想實現高(gāo)性能與功耗、成本的有(yǒu)效平衡，以上(shàng)這些(xiē)技(jì)術(shù)環節缺一不可(kě)，而随着摩爾定律的逐步“失效”，先進封裝技(jì)術(shù)的重要性越來(lái)越凸出，而英特爾、AMD和(hé)英偉達這三巨頭都看到了這一環節的重要性，并不斷加強研發力度。特别是在近期，這三家(jiā)公司不約而同地在MCM（多(duō)芯片模塊）方面披露了重要信息。

MCM打入GPU

MCM是為(wèi)解決單一芯片集成度低(dī)和(hé)功能不夠完善的問題而生(shēng)的，它把多(duō)個(gè)高(gāo)集成度、高(gāo)性能、高(gāo)可(kě)靠性的die，在高(gāo)密度多(duō)層互聯基闆上(shàng)用SMD技(jì)術(shù)組成多(duō)種多(duō)樣的電(diàn)子模塊系統，形成多(duō)芯片模塊。MCM具有(yǒu)以下特點：封裝延遲時(shí)間(jiān)縮小(xiǎo)，易于實現模塊高(gāo)速化；縮小(xiǎo)整機/模塊的封裝尺寸和(hé)重量；系統可(kě)靠性大(dà)大(dà)提高(gāo)。

以前，MCM主要用于CPU和(hé)存儲設備，特别是在CPU領域應用較為(wèi)普遍，如早期IBM的Power4雙核處理(lǐ)器(qì)，就是4塊雙核Power4以及附加的L3高(gāo)速緩存形成的MCM，還(hái)有(yǒu)英特爾的PentiumD（研發代号：Presler）、Xeon，以及AMD的Zen2架構Ryzen(核心代号:Matisse)、EPYC處理(lǐ)器(qì)等，都是應用MCM的典型代表。

近些(xiē)年，在AMD的引領下，MCM封裝技(jì)術(shù)開(kāi)始走向GPU。之所以如此，主要是因為(wèi)傳統顯卡是帶有(yǒu)多(duō)個(gè)GPU的PCB闆卡，需要連接兩個(gè)獨立顯卡的Crossfire或SLI橋接器(qì)。傳統的SLI和(hé)CrossFire需要PCIe總線來(lái)交換數(shù)據、紋理(lǐ)、同步等。由于GPU之間(jiān)的渲染時(shí)間(jiān)會(huì)産生(shēng)同步問題，因此在許多(duō)情況下，傳統的雙GPU顯卡，即單個(gè)PCB上(shàng)的兩個(gè)芯片由它互連，每個(gè)芯片都有(yǒu)自己的VRAM。SLI或CrossFire的能耗很(hěn)大(dà)，冷卻也是一個(gè)挑戰，這些(xiē)在很(hěn)長一段時(shí)間(jiān)內(nèi)都困擾着工程師(shī)。

MCMGPU則是一個(gè)單獨的封裝，其闆載橋接器(qì)取代了傳統兩個(gè)獨立顯卡之間(jiān)的Crossfire或SLI橋接器(qì)。

在高(gāo)性能計(jì)算(suàn)應用領域，這種MCMGPU的優勢很(hěn)明(míng)顯，也值得(de)花(huā)費更多(duō)時(shí)間(jiān)和(hé)精力在解決封裝和(hé)互連方面的軟件問題，以應對更高(gāo)的MCM設計(jì)複雜度。目前來(lái)看，MCMGPU主要用于數(shù)據中心和(hé)雲計(jì)算(suàn)應用領域。随着技(jì)術(shù)的不斷成熟，以及PC應用性能的提升，其在消費電(diàn)子領域的應用也将會(huì)出現。

三巨頭發力

最早将MCM封裝技(jì)術(shù)引入GPU的是AMD。2020年，該公司把遊戲卡與專業卡的GPU架構分家(jiā)了，遊戲卡的架構是RDNA，而專業卡的架構叫做(zuò)CDNA，首款産品是InstinctMI100系列。2021年，AMD的Q2财報确認CDNA2GPU已經向客戶發貨了，其GPU核心代号是Aldebaran，它成為(wèi)AMD第一款采用MCM封裝的産品，是為(wèi)數(shù)據中心準備的。在PC方面，2022年引入下一代RDNA3架構後，基于MCM的消費級RadeonGPU也會(huì)出現。

制(zhì)造多(duō)芯片計(jì)算(suàn)GPU類似于制(zhì)造多(duō)核MCMCPU，例如Ryzen5000或Threadripper處理(lǐ)器(qì)。首先，将芯片靠得(de)更近可(kě)以提高(gāo)計(jì)算(suàn)效率。AMD的Infinity架構确保了高(gāo)性能互連，有(yǒu)望使兩個(gè)芯片的效率接近一個(gè)的。其次，使用先進的工藝技(jì)術(shù)批量生(shēng)産多(duō)個(gè)小(xiǎo)芯片比大(dà)芯片更容易，因為(wèi)小(xiǎo)芯片通(tōng)常缺陷較少(shǎo)，因此比大(dà)芯片的産量更好。

前些(xiē)天，在2021年财報電(diàn)話(huà)會(huì)議上(shàng)，AMD确認，今年會(huì)有(yǒu)幾項重要産品發布，包括基于RDNA3架構的GPU，也就是RadeonRX7000。目前來(lái)看，該系列最新顯卡會(huì)有(yǒu)三款GPU，分别是Navi31、Navi32和(hé)Navi33，其中，Navi31和(hé)Navi32将采用MCM封裝。之前有(yǒu)傳聞稱，Navi31和(hé)Navi32的InfinityCache将采用3D堆棧的設計(jì)，會(huì)單獨添加到MCD小(xiǎo)芯片中，與Zen3架構上(shàng)采用3DV-Cache的原理(lǐ)類似，性能會(huì)有(yǒu)較大(dà)提升。

由于Navi31和(hé)Navi32采用了MCM封裝，AMD将會(huì)使用兩種不同制(zhì)程，GPU會(huì)使用台積電(diàn)的5nm工藝，緩存I/O芯片則會(huì)采用台積電(diàn)的6nm工藝。

英偉達也在跟進MCM封裝GPU。

2017年，英偉達展示了通(tōng)過四個(gè)小(xiǎo)芯片構建的設計(jì)方案，不但(dàn)提升了性能，還(hái)有(yǒu)助于提高(gāo)産量（較小(xiǎo)的芯片良品率會(huì)提高(gāo)），而且還(hái)允許将更多(duō)的計(jì)算(suàn)資源集合在一起。這種多(duō)芯片設計(jì)還(hái)有(yǒu)助于提高(gāo)供電(diàn)效率，具有(yǒu)更好的散熱效果。

近日，英偉達研究人(rén)員發表了一篇技(jì)術(shù)文章，概述了該公司對MCM的探索，英偉達目前在MCM封裝GPU上(shàng)的做(zuò)法稱為(wèi)“ComposableOnPackageGPU”（COPA），該團隊講述了COPAGPU的各項優勢，尤其是能夠适應各種類型的深度學習工作(zuò)負載。

由于傳統融合GPU解決方案正迅速變得(de)不太實用，研究人(rén)員才想到到COPA-GPU的理(lǐ)念。融合GPU解決方案依賴于由傳統芯片組成的架構，輔以高(gāo)帶寬內(nèi)存（HBM）、張量核心/矩陣核心（MatrixCores）、光線追蹤（RT）等專用硬件的結合。

此類硬件或在某些(xiē)任務下非常合适，但(dàn)在面對其它情況時(shí)卻效率低(dī)下。與當前将所有(yǒu)特定執行(xíng)組件和(hé)緩存組合到一個(gè)包中的單片GPU設計(jì)不同，COPA-GPU架構具有(yǒu)混合/匹配多(duō)個(gè)硬件塊的能力。如此一來(lái)，它就能夠更好地适應當今高(gāo)性能計(jì)算(suàn)隻能呈現的動态工作(zuò)負載、以及深度學習（DL）環境。

這種整合更适應多(duō)種類型工作(zuò)負載的能力，可(kě)帶來(lái)更高(gāo)水(shuǐ)平的GPU重用。更重要的是，對于數(shù)據科學家(jiā)們來(lái)說，這使他們更有(yǒu)能力利用現有(yǒu)資源，來(lái)突破潛在的界限。