近日,在AMD第二季度财报中,该公司确认了其具有第二代 CDNA 架构的下一代 Instinct MI200加速器的初始出货量。据悉,MI200配置了Aldebaran GPU,这是一个双芯片处理器,采用了MCM封装。该GPU开始出货,标志着AMD成为第一家向客户交付采用MCM技术的GPU公司,领先于竞争对手英特尔英伟达(NVIDIA)。

何为MCM?

MCM是由同一器件中的多个Die(两个或更多)组成的电子封装系统。它安装在基板上,衬底上的管芯由导线连接。

与传统架构(如用于GPU的SLI和CrossFire)相比,MCM可提供更高的性能,并减小组件的尺寸。通过MCM封装系统,器件或模块可以克服重量和尺寸限制,并提供超过30%的效率。

MCM的优点可以概括如下:更高的可靠性;更灵活地集成不同的半导体技术;通过减少阵列之间互连的长度来提高性能;尺寸更小;产品可快速上市;降低了复杂性并简化了设计。

通常,MCM模块有3种类型,具体取决于基板技术:MCM层压 ( MCM-L )、沉积 ( MCM-D ) 和陶瓷 ( MCM-C )。

以前,MCM主要用于CPU,最近逐步进入GPU领域。

MCM用于GPU的优势和挑战

MCM GPU与传统带有多个GPU的显卡之间的最大区别在于,前者是一个单独的封装,后者是一个PCB板卡,前者的板载桥接器取代了两个独立显卡之间的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就是为了解决以上问题而出现的。不过,MCM GPU并不完美,它同样面对着诸多技术挑战和难题。

在进行MCM GPU设计之前,需要解决封装和互连方面的软件问题,因为两个或更多GPU,无论多么紧密地连接在一起,要想在一起协同工作,并不是一件容易的事。MCM作为能够用于并行处理的组件,其GPU之间使用不同的内存访问,设计的复杂性会成倍增加。这需要开发人员在软件方面进行大量“修补”。在消费级的PC应用方面,很少有游戏玩家实际运行多GPU设置,因为其回报很少,因此没有人愿意做这么多的软件工作。不过,如果应用于数据中心和云计算,情况就不同了,这样的高性能计算应用对GPU提出了更高的要求。虽然多芯片GPU系统还是新生事物,许多图形工作负载不能很好地扩展(有些甚至根本不能扩展),但每台服务器有多个GPU,由于具有超级计算和数据中心的并行化性质,这就可以很好地扩展工作量。

而如果能解决MCM GPU的瓶颈问题,回报将是诱人的。这也正是MCM GPU首先出现在数据中心应用领域的主要原因,今后,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。

三强争霸

在企业界,最早应用MCM技术的是IBM,那是在上世纪70年代和80年代之间,主要用于该公司的POWER架构CPU。而将MCM发扬光大的是英特尔,自然也是用于CPU。2013年,该公司的22nm制程处理器Haswell就用到了该技术。2014年,14nm制程的Broadwell 架构问世,这是一个SoC平台,它使用了“堆叠”基板架构,也就是MCM,将多个阵列垂直堆叠在了一起。

最近几年,英特尔开始研发独立的GPU,也就是其Xe架构产品,为了顺应技术发展和应用需求,该公司开始将MCM应用于其最新的GPU产品,据悉是基于Xe HPC架构的Ponte Vecchio加速器,但具体问世时间还未确定。

AMD则快人一步。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。今年6月,AMD首席执行官苏姿丰博士提到了CDNA 2架构及其产品,表示会在年内推出,不久前发布的Q2财报则确认CDNA 2 GPU已经向客户发货了。CDNA 2基于CDNA架构,是专为数据中心设计的。

近日,AMD更新了CDNA 2的说明,其GPU核心代号是Aldebaran,它会成为AMD第一款采用MCM多芯片封装的产品,也就是Instinct MI200。Aldebaran是AMD的第一款MCM GPU,但它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。

据悉,采用MCM封装的CDNA 2内部将整合两个Die,每个芯片上有128组CU单元,如果每组CU还是128个流处理器的话,预计会拥有16384个流处理器,预计还会搭载128GB的HBM2e显存,而目前的Instinct MI100只有7680个流处理器,搭载32GB的HBM2显存。

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。

AMD 的合作伙伴HPE证实,即将推出的 Frontier 超级计算机将使用 AMD 代号为 Trento CPU(最有可能是具有额外缓存或其他增强功能的 Milan 版本)和 Instinct MI200 加速器,成为世界上最快的超级计算机,峰值性能为 1.5 ExaFLOPS。

除了AMD和英特尔,另一大GPU厂商英伟达也在摩拳擦掌,很可能紧随AMD之后推出其首款MCM GPU产品Hopper。

据悉,Hopper GPU架构是为数据中心应用专门设计的,与英伟达的Ampere架构产品不同,后者同时服务于 GPGPU(数据中心/工作站)和游戏市场。

早期的爆料称,Hopper由两个称为GPM 的GPU 模组构成,每个模组有144 个SM 单元,同时Hopper 由于是专为运算所规划的架构,相较Ampere 应该会取消用于光线追踪加速的RT Core ,并强化包括FP64 、 FP16 与Tensor Core 等运算与AI 技术会使用到的单元。

据悉,Hopper GPU 将采用台积电的5nm制程工艺,性能比 Ampere 提高 3 倍。这是一个很大的提升,具体情况如何,还要看今后爆出的更多关于Hopper的信息。

有报道称,Hopper GPU很快就会流片。

据悉,推出Hopper GPU之后,英伟达还将推出Ampere Next 和 Ampere Next Next,它们将采用MCM封装。Ampere Next GPU 预计在 2022 年推出,而 Ampere Next Next 将在 2024 年推出。

结语

MCM的自身特点使其在高性能计算领域如鱼得水,不只是是CPU,如今在GPU领域也得到了拓展,而随着数据中心、边缘云、物联网的发展,以及CPU、GPU、DPU等产品形态的日益增多和复杂,留给MCM的发展空间可能会越来越大。

新技术产品和应用的发展给以MCM为代表的芯片封装、整合技术提供了更多的想象空间。

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本文来自微信公众号 “半导体行业观察”(ID:icbank),作者:畅秋,36氪经授权发布。

文章来源于互联网:GPU三巨头开启竞争新时代

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