雖然摩爾定律已經(jīng)逐漸走到盡頭，但我們卻來(lái)到了一個(gè)更加看點(diǎn)十足的時(shí)代，不同于以往每隔18個(gè)月靠工藝迭代帶來(lái)的常規(guī)演變，以英特爾、英偉達(dá)和AMD為首的芯片巨頭之間的競(jìng)爭(zhēng)變得異常激烈。
從英特爾、英偉達(dá)、AMD三家的產(chǎn)品布局來(lái)看，三家?guī)缀醵技R了CPU、GPU甚至是DPU產(chǎn)品線(xiàn)。如今，他們正在醞釀更大的規(guī)劃！
隨著近日AMD推出CPU和GPU組合的下一代數(shù)據(jù)中心APU——Instinct MI300，自此，三家的“多PU組合”爭(zhēng)斗戰(zhàn)已然打響。
在此之前，英特爾的Falcon Shores XPU混合搭配CPU + GPU，英偉達(dá)的Grace Hopper Superchip是Grace CPU + H100 GPU的組合，都是如出一轍。
他們都在做一件偉大的事情：在一個(gè)芯片中集成CPU、GPU和AI加速器，最終成為一個(gè)類(lèi)似APU的產(chǎn)品，目標(biāo)是更廣闊的超級(jí)計(jì)算市場(chǎng)。
但是在實(shí)現(xiàn)方式上，英偉達(dá)落后了？
英特爾的XPU計(jì)劃之一：Falcon Shores
首先來(lái)說(shuō)下英特爾的XPU計(jì)劃？XPU是指使用多種計(jì)算架構(gòu)以最好地滿(mǎn)足單個(gè)工作負(fù)載的執(zhí)行需求的想法，這是英特爾過(guò)去幾年來(lái)最感興趣的一個(gè)方向。
英特爾希望將X86和Xe結(jié)合起來(lái)用于超級(jí)計(jì)算/HPC市場(chǎng)。這也導(dǎo)致了英特爾開(kāi)始研發(fā)從CPU、GPU個(gè)一些ASIC產(chǎn)品（如IPU、VPU、FPGA）等等各種產(chǎn)品。
在英特爾2022年年度投資者會(huì)議上，英特爾披露了一個(gè)代號(hào)為Falcon Shores的處理器新架構(gòu)，它將x86 CPU和Xe GPU硬件組合到單個(gè)Xeon插槽芯片中，利用下一代封裝、內(nèi)存和 I/O 技術(shù)，為計(jì)算大型數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練巨大 AI 模型的系統(tǒng)提供巨大的性能和效率改進(jìn)。
不過(guò)英特爾的目標(biāo)似乎不僅僅是將CPU和GPU集成在一起，英特爾正在尋求為擁有絕對(duì)海量數(shù)據(jù)集HPC用戶(hù)開(kāi)辟市場(chǎng)——這種數(shù)據(jù)集無(wú)法輕松適應(yīng)獨(dú)立GPU相對(duì)有限的內(nèi)存容量。
Falcon Shores的目標(biāo)是在2024年推出，采用埃米級(jí)制程，這意味著它可能會(huì)使用Intel 20A或Intel 18A制造工藝制造。
英特爾預(yù)計(jì)Falcon Shores在多個(gè)指標(biāo)上比當(dāng)前一代產(chǎn)品增長(zhǎng)5倍，包括每瓦性能提高5倍，單個(gè) (Xeon) 插槽的計(jì)算密度提高5倍，內(nèi)存容量增加5倍，內(nèi)存帶寬增加5倍。
圖源：pcper
英特爾表示，F(xiàn)alcon Shores的混合設(shè)計(jì)是通過(guò)使用tile（也稱(chēng)為小芯片）實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)提供x86和Xe內(nèi)核之間的靈活比例，這將使芯片制造商在設(shè)計(jì)過(guò)程的后期配置芯片方面具有更大的靈活性。
AMD發(fā)布Instinct MI300 APU
近日，AMD在CES 2023上披露了其下一代數(shù)據(jù)中心處理器Instinct MI300，被AMD稱(chēng)之為下一代數(shù)據(jù)中心APU。它采用了13個(gè)Chiplet，共有1460億個(gè)晶體管，MI300可以說(shuō)是AMD迄今為止最大的芯片。
該芯片的計(jì)算部分由九個(gè)5nm小芯片組成，它們包含CPU或GPU內(nèi)核，但AMD沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明每個(gè)小芯片的使用數(shù)量。
這九個(gè)裸片被3D堆疊在四個(gè)6nm基礎(chǔ)裸片之上，而且這些裸片是有源的中介層，可以處理 I/O和各種其他功能。從下圖中可以清晰的看到，Instinct MI300中心芯片側(cè)面的八個(gè)HBM3堆棧。
圖源：Future
MI300的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)除了將CPU內(nèi)核和GPU內(nèi)核放在同一設(shè)計(jì)中的操作簡(jiǎn)單性之外，還在于它可以讓兩種處理器類(lèi)型共享一個(gè)高速、低延遲的統(tǒng)一內(nèi)存空間。
這將使在CPU和GPU兩個(gè)核之間快速且輕松的傳遞數(shù)據(jù)，能讓每個(gè)核處理他們最擅長(zhǎng)的計(jì)算方面。此外，它還可以通過(guò)讓兩種處理器類(lèi)型直接訪問(wèn)同一內(nèi)存池，簡(jiǎn)化插槽級(jí)別的HPC編程。
但是MI300芯片并不是批量產(chǎn)品，因?yàn)槠鋬r(jià)格昂貴且相對(duì)稀缺，所以它們不會(huì)像EPYC Genoa數(shù)據(jù)中心CPU那樣得到廣泛部署。AMD預(yù)計(jì)將在2023年下半年交付Instinct MI300。
但是，這一Chiplet的設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)衍生出更多的變體。
英偉達(dá)Grace Hopper Superchip
不同于英特爾和英偉達(dá)采用Chiplet架構(gòu)的做法，英偉達(dá)首款GPU+CPU組合——Grace Hopper Superchip還是單芯片的方式，下圖是渲染圖。
Nvidia對(duì)其Grace Superchip的渲染圖：兩個(gè)帶有RAM的處理器合二為一
NVIDIA?Grace Hopper架構(gòu)將NVIDIA Hopper GPU與NVIDIA Grace? CPU結(jié)合在一起，在單個(gè)超級(jí)芯片中連接高帶寬和內(nèi)存一致的NVIDIA NVLink Chip-2-Chip(C2C)?互連，并支持新的NVIDIA NVLink開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。
NVLink C2C是NVIDIA為超級(jí)芯片開(kāi)發(fā)的內(nèi)存相干、高帶寬和低延遲互連。它是Grace Hopper超級(jí)芯片的核心，提供高達(dá)900 GB/s的總帶寬。這比加速系統(tǒng)中常用的x16 PCIe Gen5通道的帶寬高7倍。
結(jié)合NVIDIA NVLink切換系統(tǒng)，所有運(yùn)行在最多256個(gè)NVLink連接的GPU上的GPU線(xiàn)程現(xiàn)在都可以以高帶寬訪問(wèn)高達(dá)150TB的內(nèi)存。
NVIDIA Grace Hopper超級(jí)芯片邏輯一覽（圖源：英偉達(dá)）
英偉達(dá)表示，該超級(jí)芯片將為運(yùn)行TB級(jí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序提供高達(dá)10倍的性能提升，英偉達(dá)已承諾在2023年上半年推出其超級(jí)芯片。
可以看出，英特爾、英偉達(dá)和AMD都開(kāi)始在CPU+GPU組合上發(fā)力，他們所采用的方式：要么芯片繼續(xù)平鋪?zhàn)龃?，要么?D堆疊、Chiplet、拼架構(gòu)。
目前從各家的CPU+GPU組合型產(chǎn)品推出的時(shí)間上來(lái)看，AMD和英偉達(dá)都在2023年，而英特爾將在2024年。軟件支持方面，英特爾有oneAPI，英偉達(dá)有CUDA，AMD似乎還稍遜一些。
而在架構(gòu)方面，英特爾、AMD均已奔向3D Chiplet，但英偉達(dá)似乎仍在單芯片上努力。
英偉達(dá)何時(shí)擁抱Chiplet？
Chiplet用于CPU已經(jīng)不是新聞了，AMD多年來(lái)一直在其Ryzen和Epic等CPU處理器中使用Chiplet設(shè)計(jì)并取得了巨大成功。
英特爾也于2023年1月11日正式發(fā)布了基于Chiplet設(shè)計(jì)的第四代至強(qiáng)CPU-Sapphire Rapids，它通過(guò)內(nèi)置加速器將目標(biāo)工作負(fù)載的平均每瓦性能提升了2.9倍，在優(yōu)化電源模式下每個(gè)CPU節(jié)能可高達(dá)70瓦，將總體成本降低52%-66%。
但是就目前的情況來(lái)看，GPU也已邁入了Chiplet時(shí)代。
如今英特爾和AMD已經(jīng)均已發(fā)布了3D Chiplet CPU和GPU中的產(chǎn)品。
而英偉達(dá)無(wú)論是GPU還是CPU似乎還在單芯片上努力，英偉達(dá)要落后了嗎？
2023年1月11日，英特爾發(fā)布了其首款Chiplet小芯片封裝的GPU，代號(hào)Ponte Vecchio，GPU Max系列單個(gè)產(chǎn)品整合47個(gè)小芯片，集成超過(guò)1000億個(gè)晶體管。
這是英特爾性能最高、密度最高的通用獨(dú)立GPU。英特爾的這一芯片的具體性能對(duì)比情況暫未可知，但是我們暫且可以看看AMD與英偉達(dá)的GPU性能對(duì)比。
AMD最新一代的GPU Navi 31，是AMD第一款、也可以說(shuō)是歷史上第一個(gè)基于Chiplet設(shè)計(jì)的GPU，AMD的兩款最新顯卡Radeon RX 7900 XTX和Radeon RX 7900 XT均是基于Navi 31。
其中，XTX是旗艦機(jī)型，擁有更多的shader處理器，更高的內(nèi)存帶寬，更多的顯存，而XT則是有些弱化的版本。
如果我們將AMD的顯卡和英偉達(dá)的RTX 4080作對(duì)比，AMD的GPU的性能非常接近英偉達(dá)的RTX 4080。
據(jù)chipsandcheese的評(píng)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)，如下圖所示，英偉達(dá)的4080采用4nm制程，晶體管密度比AMD的低一些，面積也更大一些，但英偉達(dá)4080具有更高的SM數(shù)量，這意味著寄存器文件和FMA單元相比AMD要有更多的邏輯控制。
英偉達(dá)還具有更簡(jiǎn)單的緩存層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，它仍然提供相當(dāng)大的緩存容量。
AMD 7900/6900與英偉達(dá)4080的比較（圖源：chipsandcheese）
英偉達(dá)的GPU目前做法還是將所有的晶體管，都放在一個(gè)更大的單芯片上，采用尖端工藝4納米節(jié)點(diǎn)。
而AMD的Navi 31基于Chiplet設(shè)計(jì)和先進(jìn)的RDNA3架構(gòu)。其裸片由GCD核（圖形計(jì)算芯片）和 MCD內(nèi)存小芯片（內(nèi)存緩存芯片）組成。
從下圖可以清晰的看到，中間部分是5nm制程的GCD核，周?chē)謩e是6顆6nm制程的MCD，包含內(nèi)存控制器和Infinity緩存。
這說(shuō)明，著色器處理器和其他單元比較獲益于先進(jìn)工藝，而對(duì)于內(nèi)存控制器和緩存來(lái)說(shuō)則不必需要使用最先進(jìn)的工藝。
AMD Navi 31裸片（圖源：AMD）
兩種不同工藝的芯片組裝在一起，所使用的尺寸更小，與此同時(shí)，Chiplet的設(shè)計(jì)方式使得晶圓的缺陷芯片數(shù)量也少的多，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，Chiplet架構(gòu)的使用降低了成本。
Chiplet的設(shè)計(jì)還助于通過(guò)在圖形芯片上使用更少的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)VRAM連接，從而實(shí)現(xiàn)更高帶寬的 VRAM 設(shè)置。但是也不是萬(wàn)利的，代價(jià)就是AMD必須支付更昂貴的封裝解決方案，因?yàn)楹?jiǎn)單的封裝走線(xiàn)在處理GPU的高帶寬要求方面表現(xiàn)不佳。
此外，AMD Navi 31 GPU很重要的一項(xiàng)創(chuàng)新是Infinity Link總線(xiàn)，為何要說(shuō)到這個(gè)呢？
因?yàn)镃hiplet的設(shè)計(jì)方式肯定會(huì)產(chǎn)生更多的延遲，而GPU是對(duì)延遲極其敏感的，所以AMD特意為此開(kāi)發(fā)了全新的Infinity Link總線(xiàn)（即 Infinity Fanout Links 系統(tǒng)）來(lái)連接GDC和MCD部件，從而在GCD和MCD小芯片部件之間實(shí)現(xiàn)5.3 TB/s的帶寬，這種超級(jí)先進(jìn)的互連系統(tǒng)無(wú)疑是小芯片GPU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵決定因素。
可以說(shuō)，AMD的Navi 31為圖形處理器世界帶來(lái)了真正革命性的小芯片GPU設(shè)計(jì)，如果這一設(shè)計(jì)取得成功，那么未來(lái)GPU就可以不用依賴(lài)先進(jìn)工藝來(lái)提升性能，而是通過(guò)堆疊更多的GCD來(lái)實(shí)現(xiàn)。GPU市場(chǎng)迎來(lái)新的戰(zhàn)爭(zhēng)。
寫(xiě)在最后
3D IC設(shè)計(jì)逐漸成為了主流，Chiples也進(jìn)一步崛起，在芯片大廠的推動(dòng)下，基于Chiplet的3D IC設(shè)計(jì)進(jìn)一步展示了其說(shuō)服力。Chiplet將徹底改變這個(gè)行業(yè)。
英偉達(dá)何時(shí)采用Chiplet，備受業(yè)界關(guān)注，不過(guò)估計(jì)也快了，畢竟黃仁勛已指出，"Moore's Law is dead" 。
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