關(guān)于后摩爾定律時(shí)代的芯片選擇指導(dǎo)

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，摩爾定律和它的最終結(jié)局一直就像房間里的大象，不容忽視。英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年的一篇論文中預(yù)測(cè)，芯片中的晶體管數(shù)量每年將翻一番。更多的晶體管意味著更快的速度，而這種穩(wěn)定的增長(zhǎng)推動(dòng)了幾十年的計(jì)算機(jī)進(jìn)步。這是CPU制造商提高CPU速度的傳統(tǒng)方式。但晶體管的這些進(jìn)步正顯示出放緩的跡象。多倫多大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Natalie Jerger說(shuō)：“這已經(jīng)沒(méi)了動(dòng)力?！?/p>

圖片: Alex Cranz, Gizmodo

不只Jerger一個(gè)人這么說(shuō)。2016年，《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》宣稱，“摩爾定律已死”，今年1月，Register發(fā)布了一份摩爾定律的“死亡通知”。如果你在過(guò)去幾年里買了一臺(tái)筆記本電腦，你可能也注意到了。CPU看起來(lái)比前一年快不了多少。英特爾生產(chǎn)了我們的大多數(shù)筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器中CPU，自2014年以來(lái)，英特爾很少能夠讓CPU性能提高15%以上，而AMD，即使采用了一些相當(dāng)激進(jìn)的新設(shè)計(jì)方法，通常也只是與英特爾并駕齊驅(qū)。

在英特爾和AMD（直到最近）所采用的典型的“單片（monolithic）”設(shè)計(jì)風(fēng)格中，CPU由半導(dǎo)體材料組成——通常都是硅。這就是所謂的芯片（die）。在芯片的頂部是一系列晶體管，因?yàn)樗鼈兌荚谕粋€(gè)芯片上，所以它們可以快速地相互通信。更多的晶體管意味著更快的處理速度，理想情況下，當(dāng)你縮小芯片的尺寸時(shí)，晶體管就會(huì)更緊密地組裝在一起，并且可以更快地相互通信，從而帶來(lái)更快的處理速度和更高的能源效率。在1974年，第一個(gè)微處理器，英特爾的8080，是建立在一個(gè)6微米的芯片上。明年的AMD處理器預(yù)計(jì)將建立在一個(gè)7納米的芯片上。這幾乎縮小了1000倍，而且速度快得多。

AMD的Threadripper比英特爾CPU大很多，因?yàn)樗鼘?shí)際上將許多AMD CPU組合在一起。（圖片：Alex Cranz, Gizmodo）

但AMD最近憑借其聽(tīng)起來(lái)荒唐的Threadripper CPU實(shí)現(xiàn)了最大的速度提升。這些CPU核心數(shù)量從8個(gè)到32個(gè)不等。核心類似于CPU的引擎。在現(xiàn)代計(jì)算中，多核可以并行工作，允許某些利用多核的進(jìn)程運(yùn)行得更快。擁有32個(gè)內(nèi)核可以將Blender中3D文件的渲染時(shí)間從10分鐘縮短到僅一分半鐘，PCWorld運(yùn)行的這個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試可以看到這一點(diǎn)。

另外，32核處理器聽(tīng)起來(lái)很酷！AMD通過(guò)采用chiplet設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。它所有的現(xiàn)代CPU都使用一種叫做Infinity Fabric的東西。今年早些時(shí)候在接受Gizmodo采訪時(shí)，AMD計(jì)算和圖形業(yè)務(wù)部門前總經(jīng)理Jim Anderson稱，這是AMD最新的微架構(gòu)Zen的“秘方”。與此同時(shí)，CTO Mark Papermaster稱其為“隱藏的寶石”。

Infinity Fabric是一種基于開(kāi)源的Hyper Transport的新系統(tǒng)總線架構(gòu)。系統(tǒng)總線完成了你認(rèn)為它會(huì)做的事情——從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)總線。Infinity Fabric的巧妙之處在于它能夠非?？斓貍鬏敂?shù)據(jù)，并允許用它構(gòu)建的處理器克服chiplet CPU設(shè)計(jì)的一個(gè)主要障礙：延遲。

圖片: Alex Cranz, Gizmodo

chiplet的設(shè)計(jì)并不新鮮，但它通常很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹茈y在單獨(dú)的芯片上制造出一堆晶體管，使這些芯片盡可能快地相互通信。但有了AMD的Threadrippers，你就可以在無(wú)限的結(jié)構(gòu)上配置許多典型的Ryzen CPU，它們的通信速度就像在一塊芯片上一樣快。

它運(yùn)行得非常好，其結(jié)果是超高速處理器的制造成本非常低廉，以至于AMD能夠以相當(dāng)于英特爾幾分之一的價(jià)格出售處理器，而英特爾繼續(xù)在其高核心數(shù)量中使用單片設(shè)計(jì)。在某種程度上，Infinity Fabric是一種欺騙摩爾定律的方法，因?yàn)樗皇菃蝹€(gè)快速CPU，而是通過(guò)Infinity Fabric連接的一系列CPU。所以AMD并沒(méi)有克服摩爾定律的限制，而是繞過(guò)了摩爾定律。

Jerger說(shuō)：“如果你回過(guò)頭來(lái)說(shuō)，‘好吧，摩爾定律實(shí)際上就是關(guān)于功能的更大集成?！掖_實(shí)認(rèn)為chiplet不會(huì)以任何方式幫助整合更多小型晶體管，但它確實(shí)幫助我們建立了比上一代人更強(qiáng)大的功能和能力的系統(tǒng)。”

英特爾最新的i9 CPU可能速度很快，但它仍運(yùn)行在4年前的14納米的基礎(chǔ)上。(圖片: Alex Cranz, Gizmodo)

她指出，在某些情況下，這種圍繞chiplet設(shè)計(jì)的對(duì)話是對(duì)一家公司更顯著的失敗的一種偏移。她指的是英特爾，在過(guò)去幾年里，英特爾一直在努力克服晶體管不能永遠(yuǎn)微縮的局限性。它一直停留在14納米處理器，而且一年以來(lái)一直承諾10納米處理器，但未能兌現(xiàn)。對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)可怕的尷尬，當(dāng)其他芯片制造商繞著這家芯片巨頭跑了幾圈之后，情況變得更加糟糕。今年，蘋果售出了數(shù)百萬(wàn)部?jī)?nèi)置7納米處理器的手機(jī)和iPad，而AMD則在2019年發(fā)貨了12納米處理器，并承諾在2019年推出7納米處理器。AMD今年在臺(tái)北舉行的Computex大會(huì)上也公開(kāi)讓英特爾感到難堪：英特爾承諾在今年年底前推出一款28核的CPU（目前還沒(méi)有出貨），幾天后，AMD推出了一款32核CPU，自8月份以來(lái)一直在出貨，價(jià)格是英特爾CPU預(yù)計(jì)價(jià)格的一半。相比之下，英特爾最近承諾的2019年向10納米工藝遷移的拖延已久的計(jì)劃顯得有些可悲。

這就是為什么你不應(yīng)該把它對(duì)chiplet CPU設(shè)計(jì)的擁抱看作是一個(gè)巧合。在某種程度上，這似乎是英特爾在鼓吹很酷的創(chuàng)新，以轉(zhuǎn)移人們對(duì)重大創(chuàng)新失敗的關(guān)注，甚至跟上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的步伐。

英特爾的帶有AMD GPU的G系列CPU就是英特爾采用chiplet設(shè)計(jì)的一個(gè)例子。（圖片：Alex Cranz, Gizmodo）

不過(guò)，盡管這款chiplet CPU是為了分散英特爾10納米問(wèn)題的注意力，但它實(shí)際上也相當(dāng)酷。英特爾在chiplet設(shè)計(jì)方面的首次嘗試是在去年春天相對(duì)低調(diào)地推出了G系列CPU。G系列CPU實(shí)際上是與AMD合作開(kāi)發(fā)的，AMD提供了GPU，英特爾的CPU可以與之通信。英特爾沒(méi)有依賴AMD的Infinity Fabric之類的東西，而是開(kāi)發(fā)了一種名為嵌入式多?；ミB橋（EMIB）的東西，它可以讓CPU、GPU和4 GB的高帶寬內(nèi)存以接近同一芯片上一系列組件的速度進(jìn)行通信。它的速度很快，當(dāng)我們?cè)?月份進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它給我們留下了深刻的印象。它預(yù)示著一個(gè)很酷的未來(lái)，我們的集成GPU最終會(huì)變得像英偉達(dá)GTX和RTX系列這樣的分立GPU一樣快。

但EMIB也像是對(duì)英特爾本月早些時(shí)候宣布的一款產(chǎn)品進(jìn)行的一次試水，該產(chǎn)品預(yù)計(jì)明年上市：它是一款10納米CPU，帶有集成3D堆疊的chiplet設(shè)計(jì)。與EMIB和Infinity Fabric一樣，3D堆疊也是一種chiplet設(shè)計(jì)工具。但是，Infinity Fabric和EMIB只是讓傳統(tǒng)CPU部件更快地相互通信的方法，而3D堆疊增加了另一個(gè)維度。

使用3D堆疊的CPU布局示例。（圖片：英特爾）

通常芯片被放置在一個(gè)水平面上，這樣芯片的每個(gè)部分都可以與散熱器接觸，保持涼爽。3D堆疊，如果可以正確處理散熱，則可以把CPU構(gòu)建得更高而非更大。有點(diǎn)像高層建筑vs牧場(chǎng)式住宅。

英特爾對(duì)3D堆疊技術(shù)非常感興趣，它認(rèn)為3D堆疊技術(shù)比Infinity Fabric或EMIB更能避開(kāi)摩爾定律。據(jù)英特爾工藝與產(chǎn)品集成總監(jiān)Ramune Nagisetty稱，這是摩爾定律的“進(jìn)化”。她在幾周前的談話中澄清了一些事情：

“如果你花時(shí)間去挖掘戈登·摩爾寫(xiě)的那篇論文，你就會(huì)明白這一點(diǎn)。這真的很有趣，因?yàn)樵谀瞧撐闹械囊欢?，他?shí)際上預(yù)示了封裝集成的使用。他沒(méi)有使用我們今天使用的語(yǔ)言，但他確實(shí)說(shuō)過(guò)，建立一個(gè)由小功能組成的大系統(tǒng)是更加經(jīng)濟(jì)的，這些小功能是分開(kāi)封裝并相互連接的。”

我不確定我是否完全同意Nagisetty認(rèn)為這是一種演變的觀點(diǎn)，但她和Jerger都承認(rèn)，摩爾最初的論文中的語(yǔ)言有一些靈活性，而且這些封裝集成（或稱為chiplet設(shè)計(jì)）的確讓新的CPU設(shè)計(jì)模式超出了摩爾在1965年設(shè)想的模式。

今年，我們還沒(méi)有確切地看到摩爾定律的死亡，但英特爾和AMD都知道死期在快速逼近，二者選擇了稍微不同的想法。這些公司現(xiàn)在正在接受一種允許他們制造許多更小、更定制化的芯片的設(shè)計(jì)，而不是制造一種速度快得令人難以置信、適用于大多數(shù)人的單一芯片。

對(duì)于Jerger而言，這種靈活性是令人興奮的。她說(shuō)：“在這之前，一切都是關(guān)于大批量生產(chǎn)——我必須生產(chǎn)大多數(shù)人想要的東西，因?yàn)檫@是我賺錢的唯一途徑?，F(xiàn)在，你可能會(huì)變得更加多樣化，我認(rèn)為這讓學(xué)術(shù)界和初創(chuàng)企業(yè)有機(jī)會(huì)做一些很酷的硬件設(shè)計(jì)?！?/p>

想象一下，CPU是專門為你的計(jì)算機(jī)的精確需求而構(gòu)建的。這就是我們正在走向的潛在未來(lái)。這一切都是從把單片芯片拆成chiplet開(kāi)始的。