蘋(píng)果UltraFusion連接技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)史上最強(qiáng)PC芯片的？

3月9日，蘋(píng)果發(fā)布了一款顛覆性的產(chǎn)品 —— M1 Ultra芯片，不管是宣傳上還是工藝上，都能夠看出蘋(píng)果對(duì)它寄予了厚望。

M1 Ultra采用了蘋(píng)果創(chuàng)新性的UltraFusion封裝架構(gòu)，通過(guò)兩顆M1 Max晶粒的內(nèi)部互連，打造出一款性能與實(shí)力都達(dá)到空前水平的SoC芯片，可為全新的Mac Studio提供令人震撼的算力，同時(shí)依然保持著業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的能耗比水平。

M1 Ultra性能如何？

M1 Ultra支持高達(dá)128GB的高帶寬、低延遲統(tǒng)一內(nèi)存，晶體管數(shù)量達(dá)到了驚人的1140億個(gè)，每秒可運(yùn)行高達(dá)22萬(wàn)億次運(yùn)算，提供的GPU性能是蘋(píng)果M1芯片的8倍。使用它處理多線程任務(wù)的速度，相比市面上功耗范圍相近的16核臺(tái)式個(gè)人電腦芯片中速度最快的型號(hào)（英特爾 i9-12900k）還要高出90%之多。

相比市面上以10核心設(shè)計(jì)的桌機(jī)處理器，蘋(píng)果強(qiáng)調(diào)M1 Ultra可降低65%電功耗，相比16核心設(shè)計(jì)的處理器則可在相同瓦數(shù)提升最高90%，最高約可精簡(jiǎn)100W電力損耗，而相較市面最普遍使用的GPU更僅需三分之一電力運(yùn)作，相比最高階的GPU（英偉達(dá) RTX 3090）更可降低200W電力損耗，蘋(píng)果更強(qiáng)調(diào)M1 Ultra處理器提供市面目前最高的每瓦效能表現(xiàn)。

不同于M1 Pro、M1 Max的多種規(guī)格，簡(jiǎn)單芯片加倍的M1 Ultra共有兩種規(guī)格，與之對(duì)應(yīng)的就是砍半的M1 Max。

· 20核心CPU、48核心GPU、32核心神經(jīng)引擎、64GB統(tǒng)一內(nèi)存

· 20核心CPU、64核心GPU、32核心神經(jīng)引擎、128GB統(tǒng)一內(nèi)存

M1 Ultra的媒體引擎性能是M1 Max的兩倍，提供了前所未有的ProRes視頻編解碼吞吐量。事實(shí)上，搭載了M1 Ultra的Mac Studio最多可以播放18條8K ProRes 422視頻流，這是其他芯片無(wú)法做到的。

M1 Ultra還集成了一系列其他定制化蘋(píng)果技術(shù)，例如能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)外部顯示器的顯示引擎、集成的Thunderbolt 4控制器和一流的安全性能，包括蘋(píng)果最新的Secure Enclave功能、硬件驗(yàn)證的安全啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)反漏洞利用技術(shù)。

M1 Ultra完善了M1系列芯片，并憑借強(qiáng)大的CPU、GPU、不可思議的神經(jīng)引擎、ProRes硬件加速和巨量統(tǒng)一內(nèi)存，成為了世界上最強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)芯片。依照蘋(píng)果硬件部門(mén)資深副總裁Johny Srouji說(shuō)明，M1 Ultra將是M1系列最后一款產(chǎn)品，但蘋(píng)果并未說(shuō)明是否還有其他組合可能性。

開(kāi)創(chuàng)性的UltraFusion

眾所周知，要做更強(qiáng)大的芯片，就需要堆更多的電路，更多的晶體管，而工藝越先進(jìn)，同樣的面積就能塞進(jìn)去更多晶體管，芯片性能上限就越高，這也是為何大家追求更先進(jìn)制程的原因之一。

在造芯之路上“狂奔”十余載的蘋(píng)果，面對(duì)物理工藝節(jié)點(diǎn)即將達(dá)到物理極限，此次的突破點(diǎn)是什么？蘋(píng)果芯片設(shè)計(jì)師用了「1+1」的方案暫時(shí)解決了目前芯片所面臨的設(shè)計(jì)難題 —— 1 Ultra = 2 Max，M1成了計(jì)量單位。

在如今新制程升級(jí)困難、良率降低，芯片速度增長(zhǎng)緩慢的情況下，“合二為一”的方法在大幅提高算力的同時(shí)提高了良率，使得大芯片價(jià)格不至于指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，看起來(lái)是個(gè)有效的升級(jí)方式。

從成本上來(lái)說(shuō)，業(yè)界分析稱蘋(píng)果M1 Ultra單顆造價(jià)約300 美元~350美元。顯著低于英特爾Xeon處理器，較英特爾最新Core-i9-10980XE 18核心處理器價(jià)格超過(guò)1000美元，蘋(píng)果M1 Ultra的性價(jià)比更高。

提升性能最常用的做法，是通過(guò)主板來(lái)連接兩枚芯片，但這通常伴隨著許多弊端，包括延遲增加、帶寬減少、功耗增加等。而M1 Ultra是將兩枚M1 Max芯片的晶粒直接連接在一起，背后的關(guān)鍵技術(shù)即是蘋(píng)果創(chuàng)新定制的封裝架構(gòu)UltraFusion。其實(shí)，UltraFusion功能位置早已內(nèi)置于之前發(fā)布的蘋(píng)果M1 Max芯片中，但直到3月的蘋(píng)果Peek Performance活動(dòng)才被明確提出。

它可同時(shí)傳輸超過(guò)10000個(gè)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.5TB/s低延遲處理器互聯(lián)帶寬，相比業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高端多芯片，實(shí)現(xiàn)了4倍多的互聯(lián)帶寬。這種架構(gòu)能讓M1 Ultra在工作時(shí)依然表現(xiàn)出一枚芯片的整體性，也會(huì)被所有軟件識(shí)別為一枚完整芯片，開(kāi)發(fā)者無(wú)需重寫(xiě)代碼就能直接運(yùn)用它的強(qiáng)大性能。這在史上從無(wú)先例。

從M1 Ultra發(fā)布的UltraFusion圖示可以看到，蘋(píng)果M1 Ultra應(yīng)該是采用臺(tái)積電基于第五代CoWoS Chiplet技術(shù)的互連架構(gòu)，透過(guò)硅中間層（Silicon Interposer）與微型凸塊（Micro-Bump），將兩組M1 Max彼此連接。

Chip-on-Wafer-on-Substrate with Si interposer（CoWoS-S）是一種基于TSV的多芯片集成技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）加速器領(lǐng)域。

隨著CoWoS的進(jìn)步，可制造的中介層（Interposer）面積穩(wěn)步增加，從一個(gè)全掩模版尺寸（大約830mm2）到兩個(gè)掩模版尺寸（大約1700mm2）。中介層的面積決定了最大的封裝后的芯片的面積。

第5代CoWoS-S（CoWoS-S5）達(dá)到了大至三個(gè)全光罩尺寸（~2500mm2）的水平。通過(guò)雙路光刻拼接方法，該技術(shù)的硅中介層可容納1200mm2的多個(gè)邏輯芯粒和八個(gè)HBM（高帶寬內(nèi)存）堆棧。芯粒與硅中介層的采用面對(duì)面（Face to Face，互連層與互連層對(duì)接）的連接方式。

在UltraFusion技術(shù)中，通過(guò)使用裸片縫合（Die Stitching）技術(shù)，可將4個(gè)掩模版拼接來(lái)擴(kuò)大中介層的面積。在這種方法中，4個(gè)掩模被同時(shí)曝光，并在單個(gè)芯片中生成四個(gè)縫合的“邊緣”。

根據(jù)蘋(píng)果公司的專(zhuān)利顯示，在這一技術(shù)中，片間互連可以是單層金屬，也可以是多層金屬。

UltraFusion不僅僅是簡(jiǎn)單的物理連接結(jié)構(gòu)。在這一封裝架構(gòu)中，有幾項(xiàng)特別優(yōu)化過(guò)的技術(shù)。

· 低RC互連：在UltraFusion中，有新的低RC（電容x電阻=傳輸延遲）金屬層，以在毫米互連尺度上提供更好的片間信號(hào)完整性。與傳統(tǒng)的多芯片模塊（MCM）等其他封裝解決方案相比，UltraFusion的中介層在邏輯芯粒之間或邏輯芯粒和存儲(chǔ)器堆棧之間提供密集且短的金屬互連。片間完整性更好，且能耗更低，并能以更高的時(shí)鐘速率運(yùn)行。這種新的中介層互連方案將走線電阻和通孔電阻降低了50%以上。

· 互連功耗控制：蘋(píng)果的專(zhuān)利顯示，UltraFusion使用了可關(guān)閉的緩沖器（Buffuer），進(jìn)行互連緩沖器的功耗控制，有效降低暫停的互連線的能耗。

· 優(yōu)化TSV高縱橫比的硅通孔（TSV）是硅中介層技術(shù)另一個(gè)非常關(guān)鍵的部分。UltraFusion/CoWoS-S5重新設(shè)計(jì)了TSV，優(yōu)化了傳輸特性，以適合高速SerDes傳輸。

· 集成在中介層的電容（iCAP）：UltraFusion在中介層集成了深溝槽電容器（iCap），幫助提升芯片的電源完整性。集成在中介層的電容密度超過(guò)300nF/mm2，幫助各芯粒和信號(hào)互連享有更穩(wěn)定的供電。

· 新的熱界面材料：UltraFusion通過(guò)集成在CoWoS-S5中的新型非凝膠型熱界面材料（TIM），熱導(dǎo)率>20W/K，覆蓋率達(dá)到100%，為各個(gè)高算力芯粒提供更好的散熱支持，從而增強(qiáng)整體散熱。

· 通過(guò)Die-Stitching技術(shù)有效提升封裝良率降低成本：UltraFusion中，僅將KGD（Known Good Die）進(jìn)行鍵合，這樣避免了傳統(tǒng)的WoW（Wafer on Wafer）或CoW（Chip on Wafer）中失效的芯粒被封裝的問(wèn)題，進(jìn)而提升封裝后的良率，降低了整體的平均成本。（壞的芯片越少，在固定的流片和研發(fā)費(fèi)用前提下，單芯片平均成本就越低）

UltraFusion充分結(jié)合了封裝互連技術(shù)、半導(dǎo)體制造和電路設(shè)計(jì)技術(shù)，為整合面積更大、性能更高的算力芯片提供了巨大的想象空間，為計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展提供了非常好的助力和參照。同時(shí)，M1 Ultra的成功，會(huì)讓傳統(tǒng)的芯片制造商，感受到更大的壓力。

Chiplet設(shè)計(jì)將成為行業(yè)主流

在當(dāng)下的半導(dǎo)體行業(yè)中，Chiplet設(shè)計(jì)已經(jīng)成為行業(yè)主流，成為快速制造芯片同時(shí)降低制造成本的關(guān)鍵。目前，這項(xiàng)技術(shù)被用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和高端臺(tái)式機(jī)的芯片，并在這些產(chǎn)品中提高了大型芯片的經(jīng)濟(jì)性。

Chiplet的優(yōu)勢(shì)便是降低成本，擺脫對(duì)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的依賴，甚至可以彎道超車(chē)。不過(guò)Chiplet是將芯片2D、3D堆疊，對(duì)于熱管理設(shè)計(jì)和熱功耗的控制更為嚴(yán)格。M1 Ultra成型的理念有些類(lèi)似Chiplet技術(shù)。不同的是Chiplet更多是運(yùn)用舊工藝（如7nm芯片），小型化的芯片（CPU），利用先進(jìn)的封裝工藝進(jìn)行混裝，靈活度很高。

近日，臺(tái)積電、英特爾、高通、三星、Arm、AMD和日月光等十大廠商成立了UCIe（UniversalChiplet Interconnect Express，通用芯?；ミB技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，藉此擴(kuò)大推動(dòng)Chiplet技術(shù)應(yīng)用生態(tài)。而同時(shí)，業(yè)界熱議，為何蘋(píng)果沒(méi)有加入該聯(lián)盟？

M1 Ultra芯片的問(wèn)世，使得蘋(píng)果芯片再次刷新了行業(yè)認(rèn)知。讓人們意識(shí)到，在先進(jìn)封裝方面，蘋(píng)果無(wú)意加入該聯(lián)盟，因?yàn)閁ltraFusion技術(shù)已經(jīng)達(dá)到業(yè)內(nèi)頂尖水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了UCIe 1.0的標(biāo)準(zhǔn)。

M1 Ultra是蘋(píng)果野心的進(jìn)一步延續(xù)，連最有錢(qián)的蘋(píng)果也轉(zhuǎn)向Chiplet了，這預(yù)示著也許未來(lái)在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，高性能產(chǎn)品走Chiplet這條路可以走得通。

對(duì)于產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，Chiplet帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)，在標(biāo)準(zhǔn)與生態(tài)層次上，Chiplet建立了新的可互操作的組件、互連協(xié)議和軟件生態(tài)系統(tǒng)；對(duì)于芯片制造與封裝來(lái)說(shuō)，增設(shè)了多芯片模塊（Multi-Chip Module，MCM）業(yè)務(wù)，Chiplet迭代周期遠(yuǎn)低于ASIC，可提升晶圓廠和封裝廠的產(chǎn)線利用率；對(duì)于半導(dǎo)體IP來(lái)說(shuō)，升級(jí)為Chiplet供應(yīng)商，可提升IP的價(jià)值且有效降低芯片客戶的設(shè)計(jì)成本；最后對(duì)于芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，降低了大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)的門(mén)檻。