2020年11月16日 | 苹果M1芯片预示着SOC怎样的发展

近期，有人指出当前的异质集成和芯片讨论与其说是一种创新，倒不如说是美国制造商混淆自己无法保持在芯片制造领先地位的一种做法。虽然大量封装集成在当下并不是什么新鲜事儿，但毫无疑问，我们正处于从集成到SoC的转型中。

近日，苹果发布的M1自研芯片引来多方关注，我们似乎可以从M1中窥视到未来SoC的蓝图。

M1基于一块定制的苹果SoC硅芯片，它将为新款Macbook Air以及一些Macbook Pro和Mac Mini机型提供动力。苹果的新M1芯片有很多东西。它的速度要快得多:有了它的电脑在大多数任务上比它们的前辈快三倍。它的效率高得多，电池续航时间是新款笔记本电脑取代的搭载英特尔(intel)处理器的Macbook的两倍。可以想象，M1芯片在SoC的技术绝非普通。看看苹果公司的M1模具照片，将它设计成chiplets似乎不算是什么创新，此外，额外的互连和通信开销会带来更多的麻烦。

对苹果来说，支持SoC方法的另一个理由是，它们大多已经超出了使用其他任何物理布局IP核的范围。为了优化系统和(大概)改善用户体验，苹果负责大部分的电路块，并专注于严格控制物理设计和硬件-软件集成。他们不会购买供应商设计的硅片或硬核IP，将其嵌入到他们的处理器设计中。

就像iPhone和iPad的Lightning Dock接口一样，苹果接管电脑平台的想法已经存在了一段时间。其中提到的一种方法是，基于arm的移动处理器可能通过将iOS软件与A系列芯片相结合，从而进入传统计算机领域。由于苹果似乎将其大部分资源集中在iPhone和iPad上，这样对PC部门有些不利。但我们现在看到苹果正在为他们的完整OS X系统进行设计。

再看看M1芯片总体布局，它的设计非常类似于A系列处理器和移动应用处理器。但要弄清楚两者究竟有哪些重叠之处可能需要一段时间，许多平面图分析师会开始将苹果的A14和M1作比较。

新一代电脑，尤其是苹果笔记本，经常因为使用BGA封装而不是插入模块来设计RAM的升级路径而饱受诟病。而苹果通过将DRAM与M1模具放在一个通用封装基板上之后，使这一概念更接近处理器。但这么做不是chiplets。Apple photos将它们描述为这就像模块或主板一样，是一种DRAM的打包商品。虽说苹果还没有设计自己的DRAM，但它很高兴重塑了现在的商用组件。

M1还具有统一内存架构(UMA)。M1将其高带宽、低延迟内存统一到一个自定义封装内的单个池中。这样，SoC中的所有技术都可以访问相同的数据，而无需在多个内存池之间复制数据。这极大地提高了性能和功率效率。所以，视频应用程序更加快捷，游戏更加丰富和细致，图像处理具有闪电般的速度，你的整个系统反应会更灵敏。

苹果声称M1 Macbook Air的速度将是最新英特尔版本的3.5倍。性能提升的部分原因可能是他们在这个版本中使用的DRAM类型。可惜，他们并没有详细描述“统一内存架构”的任何线索。回到硅芯片上，将GPU与芯片结合可能是另一个性能提升。

我们回到通过封装集成来分解芯片和优化系统的问题，对M1 SoC芯片布局与更传统多核处理器进行比较。例如，为满足笔记本电脑、台式机和服务器市场的需求，英特尔一直在生产一系列的微处理器。以笔记本电脑为例，我们需要满足用户需求，即他们想要的是性价比更高的设备，而玩家注重的是最好的性能。英特尔需要生产只有几个或多个核心的芯片。这可以通过不同的设计来实现，或者通过禁用核心来解决低成本的应用。两种选择似乎都不太有吸引力。

通过将内核和其他功能拆分为可在封装平台上根据需要集成的小芯片，以优化更小范围的应用程序。这并不是说芯片技术不会带来额外的成本，但潜力肯定是存在的。英特尔通过两种封装技术——Foveros和嵌入式多模互连桥接(EMIB)，一直在积极推广这一想法，这两种技术都已在生产设备。

M1的性能真的有那么夸张吗？

苹果很难不夸张地宣称新的M1芯片性能。通常，计算性能的重大进步可能会使处理速度提高20%或30%——但新计算机将这个数字以十倍增长，数据表明，计算机的一般能力是原来的三倍，在某些任务上的速度高达11倍。这听起来可能难以置信。苹果知道这一点，因为它实际上并没有预料到这些电脑会有如此大的进步:即使当他拿到这些新电脑时他们也无法相信。

其余玩家也没闲着

AMD在这个领域也非常活跃，他们的新Zen 3架构设计突出了chiplet方法的可扩展性。AMD将这一设计分为计算核心芯片(CCD)和用于I/O功能的独立芯片——IO die（IOD）。

简单说一下文中的CCD，它指的并不是相机里的传感器。CCX是CPU Complex的简写，它是AMD Zen架构的最基本组成单元，每个CCX整合了四个Zen内核，每个核心都有独立的L1与L2缓存，核心内部拥有完整的计算单元，不再像此前的推土机架构共享浮点单元，这四个核心将共享L3缓存，每个核心都可以选择性的附加SMT超线程，另外CCX内部的核心是可以单独关闭的。

AMD所说的CCD其实是Core Chiplet Die的缩写，是伴随最新的Zen 2架构处理器所诞生的缩写。Zen 2架构处理器不是一个封装在一起的大核心，而是被分为了CCD核心以及I/O核心两个部分，其中CCD核心是单纯的计算核心，里面包含两个CCX，也就是每个CCD是8核16线程的，而内存、PCI-E、USB以及SATA控制器都被整合到I/O核心里面，而这些核心会被一同封装进一颗锐龙3000系列处理器里面。

新的Ryzen 5000芯片是集成芯片和处理器核心扩展的一个典型例子。首先，Ryzen的设计通过增加第二个CCD来增加更多的核心，以满足特定的需求。其次，Ryzen是异构整合的典型案例。芯片制造工艺是台积电的7nm技术，而IOD芯片是在GlobalFoundries的12nm工艺。这就是新的计算范式。

现在是时候考虑处理器开发的未来了。苹果内部硅设计的垄断市场是非常具体的。苹果最多有两种不同的产品类型——笔记本和台式。对于iMac产品线，我希望同样的设计能在那里得到重用。毕竟，基于M1的Macbook Pro使用的是与air相同的处理器，只是增加了风扇，这使得相同处理器的运行更加困难一些。只要苹果继续支持这一终端市场，他们的产品可能会继续使用英特尔处理器，所以，Mac Pro系列可能不会有自己的设计。

那么移动应用处理器呢?苹果的A系列、高通的Snapdragon和三星的Exynos等公司将继续设计完整的SoC芯片。

英特尔和AMD则是另一番景象。这两家公司都是为苹果以外的所有电脑进行设计，需要从大量潜在用户中筛选。更多的设计灵活性为占领更大的市场提供了优势，为了满足更高端的应用，可以通过有选择地激活更多的内核来覆盖过多的产品或相同的模具来实现，从长远来看这么做还有点难度。然而，chiplet的做法还是有意义的， AMD和英特尔已经朝这个方向发展。

回顾过去，Xilinx通过其2.5D集成方法实现了早期的异构集成，该方法利用一个硅插入器作为Virtex 7上的多个FPGA芯片的平台。当时，我们讨论的是3D整合的第一步。Xilinx首席技术官Ivo Bolsens表示，2.5D技术可能是3D技术的长期替代方案。近十年后，情况似乎确实如此。

先进的FPGA产品是挖掘更多chiplet机会的地方。Xilinx拥有使用ARM内核、PCI express选项、收发器以及可编程阵列的大量片上SoC集成方法。例如，Xilinx Zynq产品线包括配备四核Cortex A53的Ultrascale+ RFSoC、双核Cortex- r5f、PCI Express、DisplayPort、USB 3.0，以及片上SRAM和一组用于外部存储器的控制器。

回顾过去，英特尔也着眼于芯片，即多芯片模块(MCM)，是将FPGA芯片与他们的处理器集成起来。在2010年英特尔开发者论坛上，他们发布了Atom处理器E600系列。E600是一个基于通用BGA基片，使用Altera FPGA的可配置Atom处理器。

M1之后会有多大改进？

苹果将其第一个自研芯片命名为M1，据了解，M1 Garand是第二次世界大战和朝鲜战争期间的标准美国军用步枪所用的名字。显然将会有M2、M3等产品出现;这个名字引发了人们对未来mac电脑外观的猜测。苹果当然不会对这些芯片中可能出现的东西发表评论——它在发布会上说，新的处理器是芯片家族的开端，但仅此而已——但有线索表明，他们在第一代电脑中可能会做什么。

M1首先推出三款不同的产品：Macbook Air、Macbook Pro和MacMini。后者在阵容中占据了自己的位置，但鉴于Air和Pro现在拥有完全相同的芯片，它们如何保持与众不同呢？

“热容”！苹果软件主管Craig Federighi果断地说。Pro有风扇——苹果称之为“主动冷却系统”，而Air没有，其余的性能都是从那里来的。

Federighi开始画出一幅大家都很熟悉的图表。真正阻碍这些芯片发展的是热量:当你给它们更多的冷却时，它们会变得更快。Macbook也有一些其他的优点，比如电池容量更大，但真正让它们咆哮的是额外的头部空间。

如果这就是Macbook Air和Macbook Pro之间的区别——Macbook Pro即使在更大的电脑里，所有的东西都被紧密地打包在一起——想象一下像Mac Pro这样的电脑可能会有什么样的性能，Mac Pro有三个巨大的风扇。当然，苹果不会参与规划这一愿景，但如果他们不打算进行推测，那么我们可以;这些计算机，一旦准备好了，确实会非常快。

M1虽然只是一块小小的芯片，却能决定世界上最大公司的未来和命运。