?3 月 10 日，蘋果在 2022 年春季發布會上 M1 Max 芯片的升級版 ——M1 Ultra?，創新性地采用了封裝架構 UltraFusion，將兩個 M1 Max 芯片的管芯相連，制造出了具有前所未有性能和功能的片上系統（SoC）。

3 月 23 日，英偉達在 GTC 2022 大會?上發布了類似的新聞。黃仁勛宣布推出首款面向 AI 基礎設施和高性能計算的數據中心專屬 CPU，其中新的 Grace Hopper 可以在同一塊主板上兩塊并聯，形成了一個 144 核的 Grace CPU 超級芯片，內存帶寬為 1TB/s。

兩家公司的芯片具有不同的目標市場。蘋果瞄準消費者和專業工作站市場，而英偉達力圖在高性能計算市場掀起風云。然而，目標的不同只會凸顯快速結束單芯片設計時代面臨的廣泛挑戰。

圖源：top10.digital

芯片巨頭紛紛入場

多芯片設計不是什么新概念，但直到最近五年才越來越受青睞。AMD、蘋果、英特爾和英偉達等芯片巨頭都不同程度地涉足其中。

AMD 通過自身的 EPYC 和 RYZEN 處理器在小芯片（chiplet）設計領域展開探索。英特爾在 2021 年架構日活動上發布了下一代英特爾至強可擴展處理器 Sapphire Rapids?，這款面向服務器市場的架構使用小芯片「tiles」構建而成。

現在，蘋果和英偉達也加入了多芯片設計的行列，盡管面向的目標市場截然不同。應該看到，向多芯片設計的轉變是由現代芯片制造中的挑戰所驅動的。晶體管小型化的速度已經變慢，但前沿設計中晶體管數量的增長仍未見放緩的跡象。

以蘋果 M1 Ultra 芯片為例，它的晶體管數量為 1140 億，是個人計算機芯片中有史以來最多的，為 M1 的 7 倍。單個 M1 Max 的芯片面積為 432 平方毫米，由此推知，M1 Ultra 的面積約為 860 平方毫米（官方數字未知）。

M1 Ultra 示意圖。

英偉達 Grace CPU 的晶體管數量處于保密狀態，但與它一起發布的 Hopper H100 GPU 擁有 800 億個晶體管，20 塊即可承載全球流量。2019 年，AMD 發布的 64 核 EYPC Rome 處理器擁有 395 億個晶體管。

英偉達 Grace CPU 超級芯片。

市場研究公司 Counterpoint Research 的研究分析師 Akshara Bassi 表示，「隨著芯片面積變得越來越大以及晶圓成品率問題越來越重要，多芯片模塊封裝設計能夠實現比單芯片設計更佳的功耗和性能表現。」

目前，除了致力于造出單個完整硅晶圓的 AI 芯片創業公司 Cerebras 之外，芯片行業似乎達成了一致意見，即單芯片設計變得越來越「得不償失」。

2021 年 4 月，Cerebras 發布了 2.6 萬億晶體管、比 ipad 還大的巨無霸芯片 WSE 2。

此外，行業轉向小芯片與芯片制造商的支持是同步進行的。2020 年 8 月，全球最大芯片代工廠臺積電推出了 3DFabric 先進封裝技術系列，包含了前端 3D 硅堆棧和后端封裝技術。

AMD 在其 EPYC 和 RYZEN 處理器設計中使用了屬于 3DFabric 的技術，并且幾乎可以肯定蘋果 M1 Ultra 芯片也使用了臺積電相關封裝技術（雖然蘋果尚未給予確認，但 M1 Ultra 是由臺積電制造的）。

其他芯片巨頭如英特爾，它有自己的封裝技術，如 EMIB 和 Foveros。盡管最開始意在自己使用，但隨著英特爾代工服務的開展，該公司的芯片制造技術正變得與更廣泛的行業息息相關。

多芯片設計的前景如何？

另一家市場研究公司 Hyperion Research 的一位高級分析師 Mark Nossokoff 認為，「圍繞基礎半導體設計、制造和封裝的生態已經發展到了能夠支持『設計節點經濟可靠生成小芯片解決方案』的程度。無縫集成多樣化小芯片功能的軟件設計工具也已經成熟到可以優化目標解決方案的性能了?！?/p>

小芯片將繼續存在，但就目前而言，該領域是一個孤島。AMD、蘋果、英特爾和英偉達正在將自研的互連設計方案應用于特定的封裝技術中。

今年 3 月 2 日，英特爾、AMD、Arm、高通、臺積電、三星、日月光、谷歌云、Meta、微軟等十大巨頭宣布成立 Chiplet 標準聯盟，推出了通用小芯片互連標準（Universal Chiplet Interconnection Express, UCIe），希望將行業聚合起來。該標準提供了一個面針對成本效益性能的「標準」2D 包和面向前沿設計的「高級」包。 

UCIe 還支持通過 PCIe 和 CXL 進行封裝之外（off-package）的連接，從而為高性能計算環境中跨多臺機器連接多個芯片提供了可能。

UCIe 白皮書中 UCIe 封裝方案示例。

UCIe 標準是一個開始，它的未來仍有待觀察。Nossokoff 對此表示，最初發起 UCIe 的創始成員代表了眾多技術設計和制造領域的杰出貢獻者，但很多主要組織并沒有加入進來，包括蘋果、AWS、博通、IBM、英偉達以及其他硅代工廠和內存芯片供應商。

Bassi 指出，英偉達可能特別不愿意加入 UCIe 聯盟。英偉達已經為定制硅集成開放了自研的 NVLink-C2C 互連技術，使其成為了 UCIe 的潛在競爭對手。

雖然 UCIe 和 NVLink-C2C 等芯片互連技術的命運決定了行業游戲規則，但它們不太可能改變行業現有局面。?