電子發燒友報道（文/周凱揚）在HPC應用上，對突破性能的追求是從未停歇的，尤其是在人工智能、機器學習和大數據分析等新興應用提出更高的性能要求后。但制程突破的速度已經逐漸放緩，每個工藝節點帶來的頻率紅利也在慢慢變小。而為了減少生產和開發成本，提高良率，不少CPU制造商都開始看向小芯片。

2020年的最后一天，AMD公布了自己在小芯片GPU上的專利，引起了不少熱議。大家都在猜測，小芯片是否能成為后摩爾時代芯片設計創新的利器呢？

AMD：從小芯片CPU走向小芯片GPU

AMD從很早開始就在小芯片上發力了，不管是EPYC服務器CPU還是線程撕裂者桌面CPU，都大量運用了小芯片設計。在AMD看來，傳統的單片處理器將一個或多個CPU核心放置在單個裸片上，以此加速時鐘頻率和緩存讀取，雖然這種策略對于需要重度CPU使用的工作來說非常合理，但仍有其限制。而小芯片設計可以帶來更快的架構創新，尤其是在數據中心等應用上。

在去年的ISSCC 2020上，AMD重點提到了小芯片在第二代EPYC服務器CPU上帶來的優勢。運用Zen 2架構的EPYC服務器CPU上，AMD在CPU核心上運用了臺積電代工的7nm小芯片，IOD仍然采用Global Foundries的14nm制程。AMD提到這種設計實現了更高的核心數和更高的性能，而且顯著降低了成本。

而AMD近期公布的小芯片GPU專利同樣掀起了不小的浪花，該專利展示了一種使用高帶寬交聯的小芯片GPU設計方案。

小芯片GPU / AMD

在該專利中，AMD提到，由于多數應用是以單個GPU為前提寫就的，所以為了保留現有的應用編程模型，將小芯片設計實現在GPU上向來都是一大挑戰。而該專利利用一根總線將第一個GPU小芯片與CPU相連，余下的GPU用被動交聯連接。

如今許多架構至少擁有一級緩存連貫分布在整個GPU裸片上，比如L3或其他最后一級緩存（LLC）。而這種設計中，這些物理資源被放置在不同的裸片上，并提供通信連接以保證其緩存連貫性。在工作過程中，內存地址請求從CPU發往一個GPU小芯片，后者與高帶寬被動交聯溝通以定位所需數據，因此從CPU的角度來看，仍然是在一個單獨的GPU上尋址。

Intel：以小芯片打造客戶2.0的芯片

芯片方案演化 / Intel

Intel在去年的架構日上給出了他們在IP/SOC上的策略改變，在過去整合的單片SOC中，開發周期長達3到4年，而且在投入使用后，制造商和用戶會在芯片上發現上百個Bug。而演化至多裸片的基本小芯片結構后，將GPU、CPU和IO放置在不同的裸片上，開發周期縮減至2-3年，Bug數目縮減至十數個，不僅如此，小芯片設計還可以重復使用。最后則是Intel對未來小芯片結構的展望，將不同的IP放在最優制程的小芯片上，比如內存、I/O或圖形等，從IP或小芯片層面上來做驗證，因此Bug數目不足十個，開發周期僅需1年。

客戶2.0方案 / Intel

這樣的設計也讓Intel對芯片定位有了更多的自由，比如游戲玩家需要更多的圖形性能，而開發者則更渴求高算力的和強大的AI性能等。這也就是Intel設想的客戶2.0愿景，通過智能感知帶給消費者無縫的高性能體驗。

盡管GPU一直是Intel的弱項之一，但這并不代表Intel沒有在顯示領域上發力。自從Intel從AMD的圖形部門挖走首席架構師Raja Koduri以來，Intel就開始在獨立顯卡上發力。Intel于2019年末公布了超算級別的GPU，代號名為Ponte Vecchio，該GPU基于7nm工藝和小芯片技術，將于2021年年內安裝在Aurora超級計算機上作為圖形加速器使用。

小芯片的后盾：新的互聯與封裝技術

如果沒有創新的互聯與封裝技術，小芯片設計同樣是無法立足的。在小芯片的封裝上，Intel已經規劃好了詳細的封裝路線圖。

處理器封裝路線圖 / Intel

在Kaby Lake G處理器和Agilex FPGA上，Intel已經實現了EMIB這種2.5D的封裝方式。而Intel在Lakefield系列處理器上使用的Foveros 3D封裝技術則是對EMIB的進一步補充，該技術可將凸起高度進一步降低至50-25um，并實現接近1000 IO/mm2的密度。

Infinity架構 / AMD

但要想分解后的小芯片也能保持聯通，這就是互聯技術派上用場的地方，比如AMD在Zen架構CPU中引入的Infinity Fabric。AMD將Infinity Fabric視為連接各大產品線的基石，通過第三代Infinity框架，AMD得以為CPU與GPU之間提供大帶寬和低延遲的連接、統一的內存訪問，提升AMD產品的結合性能并簡化編程。

小結

去年的全球硬科技創新大會上，芯動科技、紫光存儲等成立了中國Chiplet產業聯盟，推動國內的小芯片發展。芯動科技在2020年推出了國產自主Chiplet標準INNOLINK，讓龐大的數據在小芯片之間低延遲傳輸。

INNOLINK解決方案 / 芯動科技

至于AMD的小芯片GPU，其實如此架構可能更有可能用于未來的CDNA數據中心GPU，而不是下一代RDNA消費級GPU。因為對于消費級GPU來說，很大一部分場景是對延遲極度敏感的游戲應用，這正是小芯片GPU必須要先突破的限制，如果小芯片GPU有著SLI和CrossFire一樣大的延遲的話，無疑也會淡出人們的視野。

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