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创事记|GPU进入新三国鼎立时代

创事记|GPU进入新三国鼎立时代
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文/畅秋
来源：半导体行业观察（ID:icbank)
近些年 ， GPU在业界的重要性愈加凸出 ， 无论是在高性能计算 ， 还是在消费级领域 ， 其对用户的粘性越来越强 ， 英伟达的火爆就是得益于其核心的GPU技术和产品 ， 在这种情况下 ， 传统巨头英特尔坐不住了 ， 原本只是在消费级市场生产集成GPU显卡 ， 市场需求的变化使得英特尔开始组建独立GPU研发团队 ， 并投入了越来越多的资源 ， 以应对英伟达和AMD的竞争 ， 特别是在高性能计算领域 。
在高性能应用领域 ， 对GPU的功耗和成本可控的要求越来越高 ， 这就对相关技术提出了更高的要求 ， 包括芯片设计方法、EDA工具、制程工艺 ， 以及封装技术 ， 要想实现高性能与功耗、成本的有效平衡 ， 以上这些技术环节缺一不可 ， 而随着摩尔定律的逐步“失效” ， 先进封装技术的重要性越来越凸出 ， 而英特尔、AMD和英伟达这三巨头都看到了这一环节的重要性 ， 并不断加强研发力度 。 特别是在近期 ， 这三家公司不约而同地在MCM（多芯片模块）方面披露了重要信息 。
MCM打入GPU
MCM是为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题而生的 ， 它把多个高集成度、高性能、高可靠性的die ， 在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统 ， 形成多芯片模块 。 MCM具有以下特点：封装延迟时间缩小 ， 易于实现模块高速化；缩小整机/模块的封装尺寸和重量；系统可靠性大大提高 。
以前 ， MCM主要用于CPU和存储设备 ， 特别是在CPU领域应用较为普遍 ， 如早期IBM的Power4 双核处理器 ， 就是4块双核Power4 以及附加的 L3 高速缓存形成的MCM ， 还有英特尔的Pentium D（研发代号：Presler）、Xeon ， 以及AMD的Zen 2架构Ryzen （核心代号：Matisse）、EPYC处理器等 ， 都是应用MCM的典型代表 。
近些年 ， 在AMD的引领下 ， MCM封装技术开始走向GPU 。 之所以如此 ， 主要是因为传统显卡是带有多个GPU的PCB板卡 ， 需要连接两个独立显卡的Crossfire或SLI桥接器 。 传统的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 总线来交换数据、纹理、同步等 。 由于GPU之间的渲染时间会产生同步问题 ， 因此在许多情况下 ， 传统的双GPU显卡 ， 即单个PCB上的两个芯片由它互连 ， 每个芯片都有自己的VRAM 。 SLI或CrossFire的能耗很大 ， 冷却也是一个挑战 ， 这些在很长一段时间内都困扰着工程师 。
MCM GPU则是一个单独的封装 ， 其板载桥接器取代了传统两个独立显卡之间的Crossfire或SLI桥接器 。
在高性能计算应用领域 ， 这种MCM GPU的优势很明显 ， 也值得花费更多时间和精力在解决封装和互连方面的软件问题 ， 以应对更高的MCM设计复杂度 。 目前来看 ， MCM GPU主要用于数据中心和云计算应用领域 。 随着技术的不断成熟 ， 以及PC应用性能的提升 ， 其在消费电子领域的应用也将会出现 。
三巨头发力
最早将MCM封装技术引入GPU的是AMD 。 2020年 ， 该公司把游戏卡与专业卡的GPU架构分家了 ， 游戏卡的架构是RDNA ， 而专业卡的架构叫做CDNA ， 首款产品是Instinct MI100系列 。 2021年 ， AMD的Q2财报确认CDNA 2 GPU已经向客户发货了 ， 其GPU核心代号是Aldebaran ， 它成为AMD第一款采用MCM封装的产品 ， 是为数据中心准备的 。 在PC方面 ， 2022年引入下一代RDNA 3架构后 ， 基于MCM的消费级Radeon GPU也会出现 。
制造多芯片计算 GPU 类似于制造多核 MCM CPU ， 例如Ryzen 5000或Threadripper处理器 。 首先 ， 将芯片靠得更近可以提高计算效率 。 AMD 的 Infinity 架构确保了高性能互连 ， 有望使两个芯片的效率接近一个的 。 其次 ， 使用先进的工艺技术批量生产多个小芯片比大芯片更容易 ， 因为小芯片通常缺陷较少 ， 因此比大芯片的产量更好 。
前些天 ， 在2021年财报电话会议上 ， AMD确认 ， 今年会有几项重要产品发布 ， 包括基于RDNA 3架构的GPU ， 也就是Radeon RX 7000 。 目前来看 ， 该系列最新显卡会有三款GPU ， 分别是Navi 31、Navi 32和Navi 33 ， 其中 ， Navi 31和Navi 32将采用MCM封装 。 之前有传闻称 ， Navi 31和Navi 32的Infinity Cache将采用3D堆栈的设计 ， 会单独添加到MCD小芯片中 ， 与Zen 3架构上采用3D V-Cache的原理类似 ， 性能会有较大提升 。
由于Navi 31和Navi 32采用了MCM封装 ， AMD将会使用两种不同制程 ， GPU会使用台积电的5nm工艺 ， 缓存I/O芯片则会采用台积电的6nm工艺 。
英伟达也在跟进MCM封装GPU 。
2017年 ， 英伟达展示了通过四个小芯片构建的设计方案 ， 不但提升了性能 ， 还有助于提高产量（较小的芯片良品率会提高） ， 而且还允许将更多的计算资源集合在一起 。 这种多芯片设计还有助于提高供电效率 ， 具有更好的散热效果 。
近日 ， 英伟达研究人员发表了一篇技术文章 ， 概述了该公司对MCM的探索 ， 英伟达目前在MCM封装GPU上的做法称为“Composable On Package GPU”（COPA） ， 该团队讲述了COPA GPU 的各项优势 ， 尤其是能够适应各种类型的深度学习工作负载 。
由于传统融合 GPU 解决方案正迅速变得不太实用 ， 研究人员才想到到 COPA-GPU 的理念 。 融合GPU解决方案依赖于由传统芯片组成的架构 ， 辅以高带宽内存（HBM）、张量核心/矩阵核心（Matrix Cores）、光线追踪（RT）等专用硬件的结合 。
此类硬件或在某些任务下非常合适 ， 但在面对其它情况时却效率低下 。 与当前将所有特定执行组件和缓存组合到一个包中的单片 GPU 设计不同 ， COPA-GPU 架构具有混合 / 匹配多个硬件块的能力 。 如此一来 ， 它就能够更好地适应当今高性能计算只能呈现的动态工作负载、以及深度学习（DL）环境 。
这种整合更适应多种类型工作负载的能力 ， 可带来更高水平的 GPU 重用 。 更重要的是 ， 对于数据科学家们来说 ， 这使他们更有能力利用现有资源 ， 来突破潜在的界限 。
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面向数据中心和消费市场 ， 英伟达将分别推出基于Hopper架构和Ada Lovelace架构的GPU 。 据悉 ， 该公司只会在Hopper架构GPU上采用MCM技术 ， Ada Lovelace架构GPU仍会保留传统的封装设计 ， 并不会像AMD基于RDNA 3架构的Navi 31那样 ， 将MCM多芯片封装引入到消费级GPU 。
近日 ， 有消息称 ， 基于Hopper架构的GH100的晶体管数量将达到1400亿 ， 这几乎是目前基于Ampere架构的GA100（542亿）或AMD基于CDNA 2架构的Instinct MI200系列（580亿）的2.5倍 。 据称GH100的芯片尺寸接近900mm2 ， 比此前传言的1000mm2要小 ， 不过比GA100（862mm2）和Instinct MI200系列（约790mm2）要大一些 。 传闻GH100总共配置了288个SM ， 可以提供三倍于A100计算卡的性能 。
据悉 ， 作为英伟达第一款基于MCM技术的GPU ， Hopper架构产品将采用台积电5nm制程工艺 ， 支持HBM2e和其他连接特性 ， 预计会在2022年中旬亮相 ， 竞争对手将是英特尔的Xe-HP架构GPU和AMD的CDNA 2架构产品 。
不过 ， 以上说法还未得到官方证实 ， 英伟达将于今年3月21日召开GTC 2022大会 ， 届时 ， 可能会公布Hopper架构 ， 以及相应的加速卡方案 。
作为独立GPU的后来者 ， 英特尔最近也是动作频频 。
近期 ， 英特尔公布新专利 ， 描述多个计算模组如何协同工作执行图像渲染 ， 代表英特尔GPU将采用MCM封装技术 ， 大幅提高运作效能 。
英特尔针对数据中心和超级计算机Ponte Vecchio的CPU已使用多芯片设计 ， 并采用MCM封装技术 。 在新专利中 ， 英特尔提出GPU图像渲染解决方案 ， 将多芯片整合至同单元 ， 解决制造和功耗等问题 ， 同时优化可扩展性和互联性 。
目前 ， 这类图像渲染问题会通过交替渲染技术（Alternate Frame Rendering ， AFR）或拆分帧渲染（Scissor Frame Rendering ， SFR）等算法解决 ， 但英特尔是整合运算模组的棋盘格式渲染 ， 同时有分布式运算 ， 使多芯片设计GPU有更高运算效率 。 虽然英特尔没有多描述架构层面细节 ， 但可预期Intel Arc品牌显卡搭载MCM封装技术GPU应只是时间问题 。
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结语
在GPU研发方面 ， 英特尔、AMD和英伟达显得越来越“同步” ， 特别是在制程工艺和封装技术方面 ， 制程都依赖台积电 ， 封装都看重MCM ， 在这两方面原本领先的AMD ， 其优势越来越小 ， 特别是在MCM方面 ， 英伟达和英特尔发展速度很快 ， 不仅是在高性能计算领域 ， 在消费级市场 ， 虽说AMD首先将MCM技术应用于PC ， 但英伟达和英特尔也在加快进度 ， 相信不久也会有相应的方案推出 。
【创事记|GPU进入新三国鼎立时代】MCM封装GPU开始进入三国鼎立时代 。

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