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AMD、英特尔为何争相走向胶水多核处理器?真相在此

归档日期:04-24       文本归类:多处理器      文章编辑:爱尚语录

  从2017年到现在,不到两年时间里X86处理器行业的变化要比过去五年都要大,标志性事件就是AMD重返高性能处理器市场,除了在桌面处理器力推8核16线程处理器之外,在服务器市场上还推出了32核64线程处理器,前不久更推出了7nm的64核128线程“罗马”处理器,而AMD成为多核狂魔的背后是巧妙地利用了MCM多芯片模块技术,这也是大家调侃的胶水多核技术。

  对CPU处理器来说,人们追求的不外乎三点性能越来越高、功耗越来越低、价格越来越便宜,定价这事不仅跟技术有关,还跟厂商的商业策略有关,这个问题不是技术能解释的,但是性能、功耗这事跟技术是直接关联,其中性能提升又是最重要的。

  在现有的条件下,提高CPU性能也只有两个方向了,一个是提高CPU运行频率,一个是增加CPU核心数,但是如今的半导体技术面临瓶颈,这两个件事都不容易,特别是同时有需求的情况下,因为大家现在既需要高频CPU,也需要多核CPU,这样就更犯难了。

  28核Skylake-SP处理器架构已经很复杂,同时核心面积高达698mm2

  这两年中在AMD的“帮助”下,英特尔已经加快了多核处理器的提升水平,去年之前桌面最多才是10核20线线XE处理器,而服务器产品线线程的Skylake-SP处理器,但是英特尔付出的代价也是相当大的,28核处理器采用了XCC架构布局,依然复杂无比,而且核心面积达到698mm2,而普通的桌面4核、6核处理器核心面积还在100-200mm2之间。

  很显然,如果我们需要更多的CPU核心,那么核心面积势必要增大,那么核心面积增大有什么坏处呢?这个问题完整回答起来需要很长,最简单的解释就是在同样的制程工艺及晶圆上,芯片核心面积越大,产出越低,而且大核心更容易出现瑕疵,导致产能/良率进一步降低。

  上面这个就是Stack Exchange上有人回答图像传感器为什么不做大面积的解答,芯片面积越小,晶圆利用率就越充分,良率越高,浪费就越少,成本就更低,而核心面积越大,浪费就越大,良率会下降。虽然例子是图形传感器的,不过对所有的半导体芯片来说都是如此。

  有人要说了,更先进的工艺不是有助于提高频率、降低功耗、减少核心面积吗?没错,这就是摩尔定律的作用了,半导体厂商只要提高工艺技术,确实能让CPU的性能及核心面积受益,但是问题是摩尔定律早就失效了,也不是现在的14nm、10nm工艺失效的,严格意义上的摩尔定律在28nm之后就失效了对于这一点,英特尔一直没有公开承认,但是从半导体业界多数厂商以及现有芯片的实际表现来看,摩尔定律这几年真的没用了,先进工艺带来的晶体管密度、性能等提升越来越小。

  另一方面,先进工艺的研发、制造成本也在提升,这个成本提升是针对整体成本来说,特别是在28nm之后,从14/16nm工艺进入到7nm节点更是一次成本大提升。AMD提到了一个例子,以制造同样250mm2的晶圆核心为例子,对比了45nm到7nm工艺的成本,45nm工艺的成本为100%基准的线nm节点略高于2.0,但是到了7nm节点,成本就增长到了4.0,相比现在的14/16nm工艺成本翻倍。

  在半导体工艺逐渐逼近物理极限的情况下,指望未来的7nm、5nm甚至3nm工艺解救处理器是不太可能了,不过我们上面所说的种种弊端还是针对的单片电路(monolithic)的,既然单一芯片不容易提升,那就来多个芯片吧,这就是MCM(multi-chip module,多芯片模块)设计了,这种设计也就是被大家调侃的胶水多核。

  MCM多芯片模块也不是什么新鲜玩意了,该技术也有数十年历史了,这么多年的发展也衍生出了诸多不同的MCM多芯片技术,所以尽管看起来都是“胶水多核”,但是不同的“胶水”效果也是不一样的,芯片封装技术多年来也是在不断进步的。

  至于AMD、英特尔两家公司中,英特尔还是最早应用MCM胶水多核的,早在Pentium Pro处理器上就使用过MCM封装技术,不过大家熟悉的可能还是Pentium D双核的胶水,那个年代为了抢先推出双核处理器,英特尔不得不在Presler架构的P4上用了MCM胶水技术,抢到了双核首发的荣誉。

  当然,Pentium D双核在市场上的表现也不尽如人意,但这跟MCM胶水多核关系不大,更多地还是Pentium架构不给力的锅,MCM只是加剧了大家的不满。

  之后英特尔及AMD在处理器架构上都极少使用MCM技术了,继续着原生多核架构,毕竟这种架构本来就应该是多核处理器应有的设计,不过随着CPU核心数逐渐从个位数提升到十位数范围,monolithic多核心的局限越来越大,不光是前面所说的制造难度大、良率低的问题,也因为它不够灵活,因为处理器除了核心数量之外,还要考虑到内存通道、PCIe通道等IO核心的搭配,如前面的Skylake-SP架构所示,为了配合不同核心的处理器,英特尔在它上面使用了XCC、LCC、HCC三种不同的内部架构,这样做无疑是增加了芯片的复杂性。

  单芯片的设计越来越复杂、越来越昂贵,财大气粗而且有工艺优势的英特尔或许还能走下去,但是AMD不行,AMD不论是桌面处理器还是服务器处理器还得要跟英特尔打价格战,核心更多、价格更低是他们的武器,所以不可能再走单芯片的路线了,在Ryzen锐龙及EPYC霄龙处理器上AMD也用上了MCM多芯片模块。

  答案很简单省钱。对于这个问题,AMD在EPYC架构中对比了MCM与Monolithic两种思路设计32核处理器的优劣,如果使用原生32核架构,核心面积只有777mm2,而现在的MCM多核芯片架构使用了4个213mm2的模块,核心总面积是852mm2,与单芯片相比是浪费了10%左右的核心面积。

  MCM设计除了会浪费部分核心面积之外,还有延迟问题,毕竟原生的多核心之间通讯要比外部芯片之间通讯距离短多了,这也是为什么锐龙处理器之前被人诟病过内存延迟的问题,但即便有这两个缺点,AMD还是把MCM设计发扬光大了,光是减少40%的芯片制造、测试成本就足够驳倒负面了,况且延迟等问题还可以用过别的手段缓解下,不造成明显影响就没事了。

  相比AMD转向MCM设计,英特尔近年来一直坚持原生多核设计,为此英特尔的首席架构师早前还专门写文章Diss胶水多核一番,表示原生多核优点多多,性能上没妥协,胶水多核就....但是这番话没多久,英特尔自己也推出了一个胶水多核Cascade Lake-AP 48核处理器,它实际上是两个24核的Cascade Lake处理器通过MCM方式组合出来的,也不是原生48核。

  英特尔推Cascade Lake-AP 48核处理器显然是要应急,虽然他们的28核处理器性能不比AMD的32核处理器差,但是价格贵很多,而且AMD今年还推出了64核架构的7nm罗马处理器,进一步拉开了与英特尔Xeon处理器之间的核心数差距,而英特尔2020年才有可能拿出10nm工艺的服务器芯片,但也难生产出原生64核的处理器,上胶水多核是迟早的事。

  MCM胶水多核就只有现在这个样子了吗?并不是,AMD前不久宣布了7nm Zen 2架构罗马处理器,它最大的特点就是将CPU核心数提升到了64核128线程,比现在又翻了一倍,多核狂魔名不虚传。为了实现最多64核128线程的设计,AMD是会继续MCM胶水多核,不过这次的多核架MCM又不一样了。

  从被人调侃到重获重视,MCM多芯片模块这么多年来又重新成为多核处理器的有力武器,特别是在核心数超过的服务器处理器上。另一方面,如今的MCM多芯片设计在技术水平上也跟当年简单粗暴的胶水多核不一样了,主要担心的延迟问题上,英特尔之前提到他们的EMIB技术相比单片电路的延迟只增加了10%,而别的技术方案中延迟甚至会增加50%之多。

  不过MCM多芯片技术对主流桌面处理器影响就没这么大了,未来两年高端桌面处理器应该或是8核16线程为主,所以AMD下一代的锐龙3000桌面处理器是否还会使用核心、IO分离的设计很值得关注。

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