隨著GPU在數(shù)據(jù)中心當(dāng)中的應(yīng)用越來越普及，原本用于CPU的MCM（多芯片封裝模塊）開始向GPU領(lǐng)域滲透，特別是在高性能計算領(lǐng)域，在業(yè)界受到了越來越多的關(guān)注。
近日，在AMD第二季度財報中，該公司確認(rèn)了其具有第二代 CDNA 架構(gòu)的下一代 Instinct MI200加速器的初始出貨量。據(jù)悉，MI200配置了Aldebaran GPU，這是一個雙芯片處理器，采用了MCM封裝。該GPU開始出貨，標(biāo)志著AMD成為第一家向客戶交付采用MCM技術(shù)的GPU公司，領(lǐng)先于競爭對手英特爾和英偉達(dá)（NVIDIA）。
何為MCM？
MCM是由同一器件中的多個Die（兩個或更多）組成的電子封裝系統(tǒng)。它安裝在基板上，襯底上的管芯由導(dǎo)線連接。
與傳統(tǒng)架構(gòu)（如用于GPU的SLI和CrossFire）相比，MCM可提供更高的性能，并減小組件的尺寸。通過MCM封裝系統(tǒng)，器件或模塊可以克服重量和尺寸限制，并提供超過30%的效率。
MCM的優(yōu)點(diǎn)可以概括如下：更高的可靠性；更靈活地集成不同的半導(dǎo)體技術(shù)；通過減少陣列之間互連的長度來提高性能；尺寸更??；產(chǎn)品可快速上市；降低了復(fù)雜性并簡化了設(shè)計。
通常，MCM模塊有3種類型，具體取決于基板技術(shù)：MCM層壓 （ MCM-L ）、沉積 （ MCM-D ） 和陶瓷 （ MCM-C ）。
以前，MCM主要用于CPU，最近逐步進(jìn)入GPU領(lǐng)域。
MCM用于GPU的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)
MCM GPU與傳統(tǒng)帶有多個GPU的顯卡之間的最大區(qū)別在于，前者是一個單獨(dú)的封裝，后者是一個PCB板卡，前者的板載橋接器取代了兩個獨(dú)立顯卡之間的Crossfire或SLI橋接器。
傳統(tǒng)的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 總線來交換數(shù)據(jù)、紋理、同步等。由于GPU之間的渲染時間會產(chǎn)生同步問題，因此在許多情況下，傳統(tǒng)的雙GPU顯卡，即單個PCB上的兩個芯片由它互連，每個芯片都有自己的VRAM。SLI或CrossFire的能耗很大，冷卻也是一個挑戰(zhàn)，這些在很長一段時間內(nèi)都困擾著工程師。
MCM GPU就是為了解決以上問題而出現(xiàn)的。不過，MCM GPU并不完美，它同樣面對著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和難題。
在進(jìn)行MCM GPU設(shè)計之前，需要解決封裝和互連方面的軟件問題，因為兩個或更多GPU，無論多么緊密地連接在一起，要想在一起協(xié)同工作，并不是一件容易的事。MCM作為能夠用于并行處理的組件，其GPU之間使用不同的內(nèi)存訪問，設(shè)計的復(fù)雜性會成倍增加。這需要開發(fā)人員在軟件方面進(jìn)行大量“修補(bǔ)”。在消費(fèi)級的PC應(yīng)用方面，很少有游戲玩家實際運(yùn)行多GPU設(shè)置，因為其回報很少，因此沒有人愿意做這么多的軟件工作。不過，如果應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和云計算，情況就不同了，這樣的高性能計算應(yīng)用對GPU提出了更高的要求。雖然多芯片GPU系統(tǒng)還是新生事物，許多圖形工作負(fù)載不能很好地擴(kuò)展（有些甚至根本不能擴(kuò)展），但每臺服務(wù)器有多個GPU，由于具有超級計算和數(shù)據(jù)中心的并行化性質(zhì)，這就可以很好地擴(kuò)展工作量。
而如果能解決MCM GPU的瓶頸問題，回報將是誘人的。這也正是MCM GPU首先出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域的主要原因，今后，隨著技術(shù)的不斷成熟，以及PC應(yīng)用性能的提升，其在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用也將會出現(xiàn)。
三強(qiáng)爭霸
在企業(yè)界，最早應(yīng)用MCM技術(shù)的是IBM，那是在上世紀(jì)70年代和80年代之間，主要用于該公司的POWER架構(gòu)CPU。而將MCM發(fā)揚(yáng)光大的是英特爾，自然也是用于CPU。2013年，該公司的22nm制程處理器Haswell就用到了該技術(shù)。2014年，14nm制程的Broadwell 架構(gòu)問世，這是一個SoC平臺，它使用了“堆疊”基板架構(gòu)，也就是MCM，將多個陣列垂直堆疊在了一起。
最近幾年，英特爾開始研發(fā)獨(dú)立的GPU，也就是其Xe架構(gòu)產(chǎn)品，為了順應(yīng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求，該公司開始將MCM應(yīng)用于其最新的GPU產(chǎn)品，據(jù)悉是基于Xe HPC架構(gòu)的Ponte Vecchio加速器，但具體問世時間還未確定。
AMD則快人一步。2020年，該公司把游戲卡與專業(yè)卡的GPU架構(gòu)分家了，游戲卡的架構(gòu)是RDNA，而專業(yè)卡的架構(gòu)叫做CDNA，首款產(chǎn)品是Instinct MI100系列。今年6月，AMD首席執(zhí)行官蘇姿豐博士提到了CDNA 2架構(gòu)及其產(chǎn)品，表示會在年內(nèi)推出，不久前發(fā)布的Q2財報則確認(rèn)CDNA 2 GPU已經(jīng)向客戶發(fā)貨了。CDNA 2基于CDNA架構(gòu)，是專為數(shù)據(jù)中心設(shè)計的。
近日，AMD更新了CDNA 2的說明，其GPU核心代號是Aldebaran，它會成為AMD第一款采用MCM多芯片封裝的產(chǎn)品，也就是Instinct MI200。Aldebaran是AMD的第一款MCM GPU，但它是為數(shù)據(jù)中心準(zhǔn)備的。在PC方面，2022年引入下一代RDNA 3架構(gòu)后，基于MCM的消費(fèi)級Radeon GPU也會出現(xiàn)。
據(jù)悉，采用MCM封裝的CDNA 2內(nèi)部將整合兩個Die，每個芯片上有128組CU單元，如果每組CU還是128個流處理器的話，預(yù)計會擁有16384個流處理器，預(yù)計還會搭載128GB的HBM2e顯存，而目前的Instinct MI100只有7680個流處理器，搭載32GB的HBM2顯存。
制造多芯片計算 GPU 類似于制造多核 MCM CPU，例如Ryzen 5000或Threadripper處理器。首先，將芯片靠得更近可以提高計算效率。AMD 的 Infinity 架構(gòu)確保了高性能互連，有望使兩個芯片的效率接近一個的。其次，使用先進(jìn)的工藝技術(shù)批量生產(chǎn)多個小芯片比大芯片更容易，因為小芯片通常缺陷較少，因此比大芯片的產(chǎn)量更好。
AMD 的合作伙伴HPE證實，即將推出的 Frontier 超級計算機(jī)將使用 AMD 代號為 Trento CPU（最有可能是具有額外緩存或其他增強(qiáng)功能的 Milan 版本）和 Instinct MI200 加速器，成為世界上最快的超級計算機(jī)，峰值性能為 1.5 ExaFLOPS。
除了AMD和英特爾，另一大GPU廠商英偉達(dá)也在摩拳擦掌，很可能緊隨AMD之后推出其首款MCM GPU產(chǎn)品Hopper。
據(jù)悉，Hopper GPU架構(gòu)是為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用專門設(shè)計的，與英偉達(dá)的Ampere架構(gòu)產(chǎn)品不同，后者同時服務(wù)于 GPGPU（數(shù)據(jù)中心/工作站）和游戲市場。
早期的爆料稱，Hopper由兩個稱為GPM 的GPU 模組構(gòu)成，每個模組有144 個SM 單元，同時Hopper 由于是專為運(yùn)算所規(guī)劃的架構(gòu)，相較Ampere 應(yīng)該會取消用于光線追蹤加速的RT Core ，并強(qiáng)化包括FP64 、 FP16 與Tensor Core 等運(yùn)算與AI 技術(shù)會使用到的單元。
據(jù)悉，Hopper GPU 將采用臺積電的5nm制程工藝，性能比 Ampere 提高 3 倍。這是一個很大的提升，具體情況如何，還要看今后爆出的更多關(guān)于Hopper的信息。
有報道稱，Hopper GPU很快就會流片。
據(jù)悉，推出Hopper GPU之后，英偉達(dá)還將推出Ampere Next 和 Ampere Next Next，它們將采用MCM封裝。Ampere Next GPU 預(yù)計在 2022 年推出，而 Ampere Next Next 將在 2024 年推出。
結(jié)語
MCM的自身特點(diǎn)使其在高性能計算領(lǐng)域如魚得水，不只是是CPU，如今在GPU領(lǐng)域也得到了拓展，而隨著數(shù)據(jù)中心、邊緣云、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及CPU、GPU、DPU等產(chǎn)品形態(tài)的日益增多和復(fù)雜，留給MCM的發(fā)展空間可能會越來越大。
新技術(shù)產(chǎn)品和應(yīng)用的發(fā)展給以MCM為代表的芯片封裝、整合技術(shù)提供了更多的想象空間。
