蘋果M1 Ultra也玩起了“膠水雙核”？

TechWeb 文 /薛定諤之咸魚

在3月9日的蘋果春季發布會上蘋果發布了諸多新品，其中最亮眼的當屬蘋果頂級旗艦芯片M1 ULTRA。那么作為M1系列最后一款芯片，M1 ULTRA到底怎么樣呢？

1個 M1 ULTRA =2個M1 Max

如果用一句話簡單概括一下M1 ULTRA那就是：將2枚M1 Max通過封裝融合成一體，成為一枚芯片。

M1 Max實現了突破性的Die-to-Die（裸片到裸片）技術，因此可以基于兩個M1 Max的裸片擴展為M1 ULTRA，通過創新性的定制架構UltraFusion連接在一起，帶來兩倍的性能表現。UltraFusion架構采用硅中介層連接一萬余個信號點，在兩個裸片之間實現了2.5TB/s的低延遲處理器互聯帶寬。

從目前公布的信息看，蘋果早在開發M1 Max時就考慮到了這種“雙芯融合”的方案，在芯片版圖的上為將來的Die-to-Die連接預留了位置。那么這樣做有什么好處呢？

性能提升

對于目前的蘋果來說，目前所使用的臺積電5nm工藝已經算是業界最頂尖的工藝了，臺積電的3nm還在路上。那么這種情況下，蘋果想推出一款性能更強的芯片該怎么辦呢？這時有兩種辦法：

第一，是再設計一款面積更大的芯片。

第二，是將原來的芯片組合在一起使用，也就是說一次用兩顆。

對于熟悉半導體行業的朋友來說應該都對5nm芯片高昂的造價有所耳聞，再設計一款面積更大的芯片，即使是蘋果成本上也很難抗住。那么就剩下第二條了，將兩個芯片或者更多數量的已有芯片合在一起使用。

如果想把兩枚芯片連在一起用，目前業界的主流做法是通過主板PCB連接。

比如像這款華碩的WS C621E SAGE 主板就屬于雙路CPU主板，在設計之初就支持兩塊CPU同時工作。

但這樣做缺點也很明顯，比如兩個CPU的插槽以及相應連接所需的布線明顯會占用很大的PCB面積，這樣做出來的產品尺寸會很大。而且由于兩個CPU之間是通過PCB走線連接，延遲會變得很大。

在這里我們不難發現，通過主板PCB連接兩塊CPU所帶來的缺點基本都是連線過長導致的，那么縮短兩個芯片之間的連線距離不就可以解決了嗎？“膠水雙核”由此出現了。

“膠水雙核”是指使用特殊方法將兩個或更多芯片封裝在一起制造的處理器。由于這種特殊方法像是將兩個或更多核心用膠水粘在一起，由此而得名“膠水雙核”。

“膠水雙核”技術最早可以追溯到1995年的英特爾的Pentium Pro，但這并不是一項落后的技術。

比如AMD一代EPYC（霄龍）處理器就采用了這種所謂的“膠水雙核”技術。在圖上可以清晰地看出，它將4顆Die（裸片）封裝到了一顆CPU中。這樣4顆裸片的產品在性能上無疑是要強于1顆裸片（裸片型號相同）的產品。

在AMD一代EPYC處理器的開蓋視頻中我們可以發現，每顆裸片之間都有著毫米級肉眼可見的間距。蘋果所做的則是在此基礎上更近了一步，將兩顆裸片“貼臉”封裝，使得兩顆裸片之間的連線變得更短。并且由于之前設計M1 Max時預留的接口，兩顆裸片之間可以用更快的速度進行通訊，最終實現了兩顆裸片之間2.5TB/s的連接帶寬。

節約成本

雖然大家都知道芯片的流片成本很高，但其實只是流片的門檻成本高。當一款芯片開始大批量生產之后，邊際成本是比較低的。舉個例子來說，造芯片就像是造塑料洗臉盆。洗臉盆的生產線搭建起來很貴，但你把洗臉盆的生產線搭建起來之后，后面所需的材料成本就很低了。

如果這時候你想生產另一種尺寸的塑料洗臉盆，那你就需要修改生產線甚至重新搭建一條新生產線，這樣就貴了。

所以對于此時的蘋果來說，如果單獨設計另一個更大尺寸的芯片，而且還是5nm的芯片，成本是非常高的。所以蘋果最終的選擇是將兩顆M1 Max封裝到一起，這樣新產品可以繼續利用原有M1 Max的生產線，只需要最后將裸片進行特殊封裝就可以了。

這就像是一個生產塑料洗臉盆的廠商，原來是一個洗臉盆裝一個紙箱，現在變成了兩個洗臉盆裝一個紙箱，此時只需要重新訂購更大尺寸的紙箱就可以了。

另一方面，就是裸片的良率問題了。當裸片的面積越大時，良率就會越低。

假設一塊小晶圓上面最多可以生產4塊M1 Max，如圖所示當晶圓上出現一個“壞點”時，最終就只能生產出3塊M1 Max，這時良率是75%。而當出現兩個“壞點”時，最終就只能生產出2塊M1 Max，這時良率是50%。但如果直接生產M1 ULTRA這樣大面積的裸片會發生什么呢？

這時同樣的一個晶圓上最多可以生產2塊M1 ULTRA。如圖所示當晶圓上出現一個“壞點”時，最終就只能生產出1塊M1 ULTRA，這時良率是50%。而當出現兩個“壞點”時，最終就只能生產出0塊M1 ULTRA，這時良率是0%。

由此可以看出當裸片的面積越大，其它條件相同時，良率就會越低。反之如果把一個大芯片分成兩個小芯片做，良率就會提高。良率提高了，相應成本也就省下來了。

結語

在文章的最后，我有一些想法和補充的信息，在此分享給大家。

1、蘋果作為一家Fabless（無晶圓廠模式）公司，對于半導體工藝發展進入瓶頸這件事是無能為力的。只能等待臺積電、三星等晶圓廠研發出更先進的工藝。

2、在工藝進入瓶頸之后，芯片性能如果再想提升，蘋果這種做法是簡單粗暴而且有效的。

3、Die-to-Die技術的本質是將一個大的Die（裸片）分成幾個小的Die（裸片）來做，這樣成本更低。

4、現在業界也有這種設計的趨勢，將原來一個大芯片拆成幾個小芯片進行設計制造。

5、這種技術并不是完美的，比如會引入額外的散熱負擔。而通過主板PCB連接兩顆CPU這種方式，散熱問題會小很多。畢竟間距夠大，可以通過多個散熱器解決。

6、基于此種情況進行一個預測，M1 ULTRA的實際性能不會是M1 Max的2倍，但應該能超過1.5倍。畢竟蘋果有“單管壓i9”的前例在，散熱問題處理得怎么樣還是要等真機發售之后看。