似乎PC處理器這兩年競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，除了性能、能效這些常規(guī)指數(shù)，還包括期貨水平......Intel和AMD現(xiàn)在都熱衷于輪番預(yù)告未來產(chǎn)品多么彪悍。尤其是Intel，12代酷睿剛發(fā)幾天，13代酷睿和14代酷睿的消息就不絕于耳了。

最近的Technology Tour 2022上，Intel又分享了有關(guān)13代酷睿(Raptor Lake)CPU最高頻率可上達(dá)6GHz，以及超頻記錄達(dá)8GHz的消息——這應(yīng)該是明擺著針對(duì)即將上市AMD Ryzen 7000的5.7GHz吧。這也算是市場(chǎng)“信息戰(zhàn)”了。

不過畢竟過不了多久13代酷睿就要發(fā)布了，真正“展望”作品應(yīng)該是14代酷睿(Meteor Lake)。今年年中的Intel Vision大會(huì)上，Intel就展示了14代酷睿處理器的真容：讓人們知道了其chiplet方案怎么做的，以及Intel 4工藝的正式提槍上馬。

這些未來產(chǎn)品的消息放出，更多的應(yīng)該還是為了穩(wěn)住市場(chǎng)和投資者，尤其是Intel著眼于戰(zhàn)未來技術(shù)的現(xiàn)狀。上個(gè)月的Hot Chips 34上，Intel詳述了Meteor Lake的部分細(xì)節(jié)信息：尤其是這代芯片采用的chiplet方案。借著14代酷睿的chiplet方案，我們也有機(jī)會(huì)了解應(yīng)用于PC處理器的chiplet結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來會(huì)向怎樣的方向發(fā)展。

AMD、蘋果已經(jīng)在用chiplet

PC領(lǐng)域chiplet方案的近代應(yīng)用并不新鮮，為普羅大眾所知的是蘋果M1 Ultra——用在了Mac Studio上。這顆芯片差不多是把兩顆M1 Max加在一起，屬于比較典型的基于chiplet的芯片。所謂的chiplet結(jié)構(gòu)，也就是把幾顆die封裝到一起構(gòu)成一顆芯片的方案。這種芯片的每一片die，就是一個(gè)chiplet。Chiplet的本質(zhì)也就是一種多die解決方案。

Chiplet出現(xiàn)的原因莫過于(1)單die越來越大，大到光刻機(jī)即將無法處理(超過reticle limit限制);(2)尺寸縮減的多die有利于提升產(chǎn)品良率，縮減成本;(3)應(yīng)用端的算力需求仍在不斷增加，chiplet式的設(shè)計(jì)也有利于堆算力，在產(chǎn)品組合上也更為靈活。

AMD則是在PC市場(chǎng)上更早應(yīng)用chiplet方案的先鋒，比如在Ryzen 3000系列CPU上，每4個(gè)CPU核心組成一個(gè)CCX，兩個(gè)CCX構(gòu)成一個(gè)CCD——也就是一片die/chiplet。多個(gè)CCD，外加I/O die，就構(gòu)成了完整的芯片。這算是近些年P(guān)C處理器核心數(shù)飆升的某一個(gè)原因，畢竟藉由增加CCD來增加處理器核心比以前容易多了。這年頭，16核處理器已經(jīng)不罕見了。

其實(shí)基于前文chiplet技術(shù)很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，當(dāng)年的Intel奔騰D膠水雙核處理器(2005年)似乎也可以被叫做chiplet。嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，如果我們說chiplet要求先進(jìn)封裝(或至少不是PCB級(jí)別的電路連接)，那么近代Intel在自家處理器上采用chiplet方案的處理器應(yīng)該是Kaby Lake-G，8代酷睿產(chǎn)品中的某一個(gè)偏門系列，將AMD的iGPU(核顯)與Intel的CPU藉由2.5D先進(jìn)封裝工藝，放到同一顆芯片上。

Meteor Lake的chiplet

不過像Kaby Lake-G這樣的產(chǎn)品，怎么說都只是試驗(yàn)和先進(jìn)封裝工藝的練手。Intel始終也沒有像AMD那樣，通過chiplet來堆CPU核心。似乎從直覺來看，隨著當(dāng)代PC處理器核心數(shù)增多、I/O能力增強(qiáng)、核顯性能內(nèi)卷，眼見著die size越來越大，還不得不給更多的算力，再不用chiplet是真的不行了。

此前14代酷睿的die shot公布時(shí)，我們也都知道了這代產(chǎn)品終于要開始用chiplet方案了。但很顯然，Meteor Lake基于chiplet的芯片架構(gòu)與AMD仍然大相徑庭。

Meteor Lake總共4片die，Intel稱其為tile，分別是CPU Tile、SoC Tile、Graphics Tile和IOE Tile(IO extender)。

CPU Tile里面主要就是CPU核心與cache，而Graphics Tile自然就是核顯部分了，SoC Tile包含此前SA(System Agent)的絕大部分功能，IOE Tile則連接到SoC Tile。所有的tile都放到一片base die上。這種chiplet式的方案自然就極大提升了處理器產(chǎn)品面向不同市場(chǎng)的靈活性。

比如說要是很看重PCIe連接數(shù)量，那么SoC Tile可以做擴(kuò)展;面向筆記本設(shè)備時(shí)，SoC Tile還可以加上圖像處理單元之類的部分;而CPU Tile則能夠根據(jù)場(chǎng)景需要來設(shè)計(jì)不同的核心數(shù)組合;GPU die則面向不同的圖形算力需求。

很容易發(fā)現(xiàn)，Meteor Lake的chiplet“切分”方式，和AMD Ryzen的chiplet相當(dāng)不一樣?？赡芎芏嗳藭?huì)認(rèn)為，AMD的CCD + I/O die的設(shè)計(jì)更靈活，但AMD在移動(dòng)平臺(tái)上受制于功耗仍然采用單die方案;而且從die間通信和封裝的角度來看，AMD所用的chiplet方案并不能算先進(jìn)封裝——而是直接從PCB基板走線——這種方案成本更低，但對(duì)通信效率和功耗而言都不是什么好事。

前不久我們?cè)敿?xì)探討過先進(jìn)封裝技術(shù)，及主流的一些方案。Intel雖未詳談Meteor Lake封裝，但大致也不離文章里談到的主流技術(shù)?；?.5D/3D封裝，則Meteor Lake的封裝成本自然就會(huì)高于AMD現(xiàn)階段的方案，更靠近蘋果M1 Ultra(雖然還是不同的)。從擴(kuò)展靈活性的角度來看，如果CPU要增加更多核心，那么CPU Tile需要更大的die size，則base die的這種硅中介或硅橋也要跟著變大。

不過2.5D/3D先進(jìn)封裝能夠獲得更高的IO密度、功耗也會(huì)更低。這對(duì)小尺寸封裝，以及電池驅(qū)動(dòng)的功耗敏感型設(shè)備來說會(huì)很有價(jià)值。

Die間互聯(lián)與通信

AMD此前提到Zen架構(gòu)的die-to-die Infinity Fabric鏈接功耗水平為2 pJ/bit(皮焦/比特);Zen 2的Infinity Fabric這一數(shù)值降低了大約27%。Chips and Cheese在近期的技術(shù)文章中提到，有理由認(rèn)為AMD的die間傳輸功耗應(yīng)該和Intel Haswell(4代酷睿)的OPIO(一般是片上處理器die和PCH die的連接)類似。

上面這張來自Intel的PPT也基本能闡明這一點(diǎn)。Intel將Meteor Lake的die-to-die link稱作FDI(Foveros Die Interconnect)。而FDI的die間通信功耗水平為0.2-0.3 pJ/bit。這張圖中的延遲數(shù)據(jù)比較模糊，只說是小于10ns。AMD那種相對(duì)簡(jiǎn)單粗暴的連接方式，此前公布的延遲數(shù)據(jù)也是差不多的水平。

AMD說Zen 2架構(gòu)的這種die間連接延遲為13個(gè)FCLK(Infinity Fabric)時(shí)鐘周期，即不到9ns;如果推升DDR內(nèi)存頻率和FLCK的頻率，則Ryzen 3000系列處理器的13個(gè)FCLK周期可低至7.22ns。所以Intel這邊的延遲數(shù)據(jù)就顯得并不算多好。

另外表中的帶寬數(shù)據(jù)也不算明朗，2 GT/s(每秒20億次傳輸)沒有指明每次傳輸?shù)膶挾?。Chips and Cheese評(píng)論說，有可能帶寬也就是OPIO或IFOP(Infinity Fabric On Package)的水平。

通信協(xié)議方面，Intel表示CPU與SoC Tile采用IDI(In-Die Interface)協(xié)議，Graphics Tile到SoC Tile則采用iCXL協(xié)議(對(duì)于現(xiàn)在很火的CXL的一個(gè)內(nèi)部實(shí)施方案，和IDI應(yīng)該有諸多相似之處)，SoC與IOE Tile連接是通過IOSF(Integrated On-chip System Fabric)和DisplayPort——可見IOE Tile上估計(jì)是有PCIe控制器和DisplayPort PHY的。

這里的IDI，最早出現(xiàn)于Intel Nehalem架構(gòu)(2008年，初代酷睿i5/i7)，用于把CPU核心連接到uncore的Global Queue和L3;后續(xù)IDI就成為Intel處理器ring bus總線的主要協(xié)議了，當(dāng)然后續(xù)有不斷更新?？偟膩碚f，IDI是一種處理mesh和ring總線通信的內(nèi)部協(xié)議。

值得一提的是，此前Intel處理器的核顯也采用IDI協(xié)議與L3 cache連接。去年我們撰寫的《蘋果M1統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)真的很厲害嗎?稀松平常的UMA(下)》一文曾經(jīng)提到過，酷睿處理器從Sandy Bridge(6代酷睿)開始就把核顯掛在環(huán)形總線上，LLC(也就是L3 cache)也與核顯共享(如下圖)。換句話說，核顯和CPU一樣都能用L3資源。

不過從Meteor Lake的die shot來看，Graphics Tile和CPU Tile離得比較遠(yuǎn)，所以過去的這種設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)也就不復(fù)存在了，也就是說核顯可能就不再共享L3 cache了。這么做對(duì)核顯效率會(huì)有影響嗎?Chips and Cheese評(píng)論說或許也未必，因?yàn)橐环矫婵偩€上的stop變少，這利于降低延遲、提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄?另外這可能也有機(jī)會(huì)讓ring頻率變高，達(dá)成CPU核心更高的L3性能;還有就是核顯和CPU隔開，便于將整個(gè)CPU Tile設(shè)定在低功耗狀態(tài)，降低功耗。

Chips and Cheese對(duì)此還特別提到了一點(diǎn)，就是一般核顯的LLC命中率極低。比如Arm架構(gòu)普遍會(huì)用到的SLC(System Level Cache)也為GPU服務(wù)，8MB SLC就只有28%的命中率。AMD的GPU Infinity Cache命中率也很低。Intel這邊的情況也沒好到哪里去。所以有沒有必要再共享L3，原本就很值得懷疑。

與此同時(shí)，Intel處理器現(xiàn)在的Xe核顯配備了更大的專用cache，相比AMD這邊的Vega和RDNA 2核顯都更大。若這種設(shè)計(jì)持續(xù)，則Meteor Lake的核顯應(yīng)該就有足夠的cache資源，不需要多依賴L3。那么當(dāng)前的這種設(shè)計(jì)也就比較好理解了。

來源：Lecomptoir via Chips and Cheese

雖然單純從物理層面的die shot來觀察，我們普遍都覺得Meteor Lake即便用了chiplet的方案，耦合度依然比較高，但Chips and Cheese認(rèn)為其靈活度相比AMD的方案更高，更為分散化(disaggregation)。而且FDI連接在達(dá)成與AMD IFOP相似性能的同時(shí)，功耗更低。

所以這種連接并不用于性能敏感路徑。SoC到IOE Tile鏈接處理DisplayPort和PCIe數(shù)據(jù);核顯內(nèi)存訪問則主要由核顯的專用cache進(jìn)行——核顯到SoC鏈接用于處理GPU的cache未命中請(qǐng)求;CPU的L3主要獲取內(nèi)存訪問，即藉由CPU到SoC Tile。

Chips and Cheese認(rèn)為SoC很可能在CPU Tile上有掛一個(gè)ring stop，跨die鏈接只留意發(fā)往SoC的IDI packets，而“熱”數(shù)據(jù)則僅在CPU Tile內(nèi)部ring stop上傳遞。從die shot來看，在CPU Tile的效率核(E-core)ring stop和這片die的邊緣之間有這么一個(gè)部分，猜測(cè)“這個(gè)位于CPU Tile的部分會(huì)有不少發(fā)往SoC Tile請(qǐng)求的隊(duì)列和仲裁邏輯?！?/p>

明年電腦全面走向chiplet

Intel在Hot Chips上再次明確了14代酷睿Meteor Lake明年發(fā)布——上個(gè)月有傳言說臺(tái)積電N3工藝遭遇不確定性，可能對(duì)Meteor Lake的發(fā)布產(chǎn)生影響，不過最近的消息說Meteor Lake的Graphics Tile實(shí)際上用的是臺(tái)積電N5工藝。另外除了CPU Tile基于Intel 4工藝外，傳言IOE Tile和SoC Tile都基于臺(tái)積電N6工藝(還有個(gè)base die是基于Intel的22FFL工藝)。

無論面向臺(tái)式機(jī)還是筆記本的Meteor Lake處理器，預(yù)計(jì)都會(huì)采用這種chiplet方案。畢竟像Intel這種方案的特色就是面向不同場(chǎng)景的彈性化選擇。未來AMD也有概率會(huì)采用類似的方案，因?yàn)榇饲癆MD就提到以后15-45W TDP的處理器也將應(yīng)用chiplet結(jié)構(gòu)，這對(duì)其現(xiàn)有IFOP而言在功耗上是個(gè)挑戰(zhàn)。

這算是個(gè)新的技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)，我們也很期待看到在PC處理器具備相當(dāng)?shù)男阅芘c功耗彈性擴(kuò)展空間以后，又會(huì)賦予PC設(shè)備怎樣的體驗(yàn)提升。

審核編輯：劉清