[转帖]AMD英特尔为何争相走向胶水多核处理器？真相在此

Posted 2021-01-22 jinanxiaolaohu

AMD、英特尔为何争相走向胶水多核处理器？真相在此

胶水多核到底好不好？这个事不是简单一句话能说明的，今天的超能课堂里我们就来聊聊MCM胶水多核技术的过去及未来。

作者：孟宪瑞来源：超能网|2018-11-21 15:25

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从2017年到现在，不到两年时间里X86处理器行业的变化要比过去五年都要大，标志性事件就是AMD重返高性能处理器市场，除了在桌面处理器力推8核16线程处理器之外，在服务器市场上还推出了32核64线程处理器，前不久更推出了7nm的64核128线程“罗马”处理器，而AMD成为多核狂魔的背后是巧妙地利用了MCM多芯片模块技术，这也是大家调侃的胶水多核技术。

双核Pentium D时代，大家听到胶水多核就一脸鄙夷，不过2018年的今天，不仅是AMD在使用胶水多核技术，去年还在用胶水多核延迟高、性能差等缺点打击AMD EPYC处理器的英特尔今年也推出了胶水多核的48核处理器，未来还会把胶水多核技术发扬光大。

胶水多核到底好不好？这个事不是简单一句话能说明的，今天的超能课堂里我们就来聊聊MCM胶水多核技术的过去及未来。

摩尔定律失效，提升频率、增加核心之路不容易

对CPU处理器来说，人们追求的不外乎三点——性能越来越高、功耗越来越低、价格越来越便宜，定价这事不仅跟技术有关，还跟厂商的商业策略有关，这个问题不是技术能解释的，但是性能、功耗这事跟技术是直接关联，其中性能提升又是最重要的。

消费级的英特尔CPU已经做到18核

在现有的条件下，提高CPU性能也只有两个方向了，一个是提高CPU运行频率，一个是增加CPU核心数，但是如今的半导体技术面临瓶颈，这两个件事都不容易，特别是同时有需求的情况下，因为大家现在既需要高频CPU，也需要多核CPU，这样就更犯难了。

28核Skylake-SP处理器架构已经很复杂，同时核心面积高达698mm2

这两年中在AMD的“帮助”下，英特尔已经加快了多核处理器的提升水平，去年之前桌面最多才是10核20线程，2017年就推出了18核36线程的Core i9-7980XE处理器，而服务器产品线上推出了28核56线程的Skylake-SP处理器，但是英特尔付出的代价也是相当大的，28核处理器采用了XCC架构布局，依然复杂无比，而且核心面积达到698mm2，而普通的桌面4核、6核处理器核心面积还在100-200mm2之间。

很显然，如果我们需要更多的CPU核心，那么核心面积势必要增大，那么核心面积增大有什么坏处呢？这个问题完整回答起来需要很长，最简单的解释就是在同样的制程工艺及晶圆上，芯片核心面积越大，产出越低，而且大核心更容易出现瑕疵，导致产能/良率进一步降低。

核心面积大小对产能/良率的影响（图片来源）

上面这个就是Stack Exchange上有人回答图像传感器为什么不做大面积的解答，芯片面积越小，晶圆利用率就越充分，良率越高，浪费就越少，成本就更低，而核心面积越大，浪费就越大，良率会下降。虽然例子是图形传感器的，不过对所有的半导体芯片来说都是如此。

有人要说了，更先进的工艺不是有助于提高频率、降低功耗、减少核心面积吗？没错，这就是摩尔定律的作用了，半导体厂商只要提高工艺技术，确实能让CPU的性能及核心面积受益，但是问题是摩尔定律早就失效了，也不是现在的14nm、10nm工艺失效的，严格意义上的摩尔定律在28nm之后就失效了——对于这一点，英特尔一直没有公开承认，但是从半导体业界多数厂商以及现有芯片的实际表现来看，摩尔定律这几年真的没用了，先进工艺带来的晶体管密度、性能等提升越来越小。

另一方面，先进工艺的研发、制造成本也在提升，这个成本提升是针对整体成本来说，特别是在28nm之后，从14/16nm工艺进入到7nm节点更是一次成本大提升。AMD提到了一个例子，以制造同样250mm2的晶圆核心为例子，对比了45nm到7nm工艺的成本，45nm工艺的成本为100%基准的话，28nm工艺的成本大概是1.8，20nm节点是2.0，14/16nm节点略高于2.0，但是到了7nm节点，成本就增长到了4.0，相比现在的14/16nm工艺成本翻倍。

根据专业的Semiengingeering网站之前刊发过一篇文章，28nm节点上开发芯片只要5130万美元投入，16nm节点需要1亿美元，7nm节点需要2.97亿美元。

即便不说先进工艺的巨额投资问题，但是从技术上来说10nm及以下的工艺就难多了，英特尔迄今都没有能量产10nm工艺呢，台积电、三星虽然做到了7nm级别，但是工艺水平及用途跟这里所说的高性能处理器还有点距离，总之指望先进工艺解决CPU频率及核心面积的问题也是不行的，这条路越来越难。

单打不行就群殴，MCM多芯片重新受宠

在半导体工艺逐渐逼近物理极限的情况下，指望未来的7nm、5nm甚至3nm工艺解救处理器是不太可能了，不过我们上面所说的种种弊端还是针对的单片电路（monolithic）的，既然单一芯片不容易提升，那就来多个芯片吧，这就是MCM（multi-chip module，多芯片模块）设计了，这种设计也就是被大家调侃的胶水多核。

MCM多芯片模块也不是什么新鲜玩意了，该技术也有数十年历史了，这么多年的发展也衍生出了诸多不同的MCM多芯片技术，所以尽管看起来都是“胶水多核”，但是不同的“胶水”效果也是不一样的，芯片封装技术多年来也是在不断进步的。

图片来源

至于AMD、英特尔两家公司中，英特尔还是最早应用MCM胶水多核的，早在Pentium Pro处理器上就使用过MCM封装技术，不过大家熟悉的可能还是Pentium D双核的胶水，那个年代为了抢先推出双核处理器，英特尔不得不在Presler架构的P4上用了MCM胶水技术，抢到了双核首发的荣誉。

当然，Pentium D双核在市场上的表现也不尽如人意，但这跟MCM胶水多核关系不大，更多地还是Pentium架构不给力的锅，MCM只是加剧了大家的不满。

之后英特尔及AMD在处理器架构上都极少使用MCM技术了，继续着原生多核架构，毕竟这种架构本来就应该是多核处理器应有的设计，不过随着CPU核心数逐渐从个位数提升到十位数范围，monolithic多核心的局限越来越大，不光是前面所说的制造难度大、良率低的问题，也因为它不够灵活，因为处理器除了核心数量之外，还要考虑到内存通道、PCIe通道等IO核心的搭配，如前面的Skylake-SP架构所示，为了配合不同核心的处理器，英特尔在它上面使用了XCC、LCC、HCC三种不同的内部架构，这样做无疑是增加了芯片的复杂性。

单芯片的设计越来越复杂、越来越昂贵，财大气粗而且有工艺优势的英特尔或许还能走下去，但是AMD不行，AMD不论是桌面处理器还是服务器处理器还得要跟英特尔打价格战，核心更多、价格更低是他们的武器，所以不可能再走单芯片的路线了，在Ryzen锐龙及EPYC霄龙处理器上AMD也用上了MCM多芯片模块。

在这种架构中，AMD将两组CCX单元作为一个模块做成了8核16线程处理器，这就是桌面版的锐龙7处理器，而第一代EPYC处理器最多32核64线程，其内部封装了是4个8核模块，详细的技术介绍我们之前的首发评测中做过解答，这里不赘述，我们就来看看AMD为什么这么做。

答案很简单——省钱。对于这个问题，AMD在EPYC架构中对比了MCM与Monolithic两种思路设计32核处理器的优劣，如果使用原生32核架构，核心面积只有777mm2，而现在的MCM多核芯片架构使用了4个213mm2的模块，核心总面积是852mm2，与单芯片相比是浪费了10%左右的核心面积。

但是制造4个213mm2的小核心处理器比制造1个777mm2的大核心容易多了，后者的良率太低了，低到多少呢？AMD今年公布过相关数据，完整的32核处理器良率不到17%，这样的代价是AMD承受不起的。

MCM设计除了会浪费部分核心面积之外，还有延迟问题，毕竟原生的多核心之间通讯要比外部芯片之间通讯距离短多了，这也是为什么锐龙处理器之前被人诟病过内存延迟的问题，但即便有这两个缺点，AMD还是把MCM设计发扬光大了，光是减少40%的芯片制造、测试成本就足够驳倒负面了，况且延迟等问题还可以用过别的手段缓解下，不造成明显影响就没事了。

英特尔之前还表示AMD的MCM模块有性能及延迟问题

相比AMD转向MCM设计，英特尔近年来一直坚持原生多核设计，为此英特尔的首席架构师早前还专门写文章Diss胶水多核一番，表示原生多核优点多多，性能上没妥协，胶水多核就....但是这番话没多久，英特尔自己也推出了一个胶水多核——Cascade Lake-AP 48核处理器，它实际上是两个24核的Cascade Lake处理器通过MCM方式组合出来的，也不是原生48核。

英特尔推Cascade Lake-AP 48核处理器显然是要应急，虽然他们的28核处理器性能不比AMD的32核处理器差，但是价格贵很多，而且AMD今年还推出了64核架构的7nm罗马处理器，进一步拉开了与英特尔Xeon处理器之间的核心数差距，而英特尔2020年才有可能拿出10nm工艺的服务器芯片，但也难生产出原生64核的处理器，上胶水多核是迟早的事。

殊途同归，AMD、英特尔同时走向异构MCM之路

MCM胶水多核就只有现在这个样子了吗？并不是，AMD前不久宣布了7nm Zen 2架构罗马处理器，它最大的特点就是将CPU核心数提升到了64核128线程，比现在又翻了一倍，多核狂魔名不虚传。为了实现最多64核128线程的设计，AMD是会继续MCM胶水多核，不过这次的多核架MCM又不一样了。

从AMD公布的信息来看，7nm罗马处理器的MCM是8+1架构，很有众星捧月的感觉。在这个MCM多芯片架构中，AMD将CPU内核与IO单元分离，四周的8个小核心是纯CPU内核，而DDR内存控制器、PCIe控制器、IF控制器等IO单元单独做成了一个核心。

除了CPU内核与IO单元分离，7nm罗马处理器的还使用了不同工艺——核心的IO单元是14nm工艺的，GF代工的，而四周的CPU核心是7nm工艺的，台积电代工的。这样做也是为了降低成本，因为IO单元并不需要那么先进的制程工艺。

AMD在罗马处理器上的MCM结构让人联想到了英特尔之前的EMIB多芯片封装技术，二者在这方面可以说是异曲同工，殊途同归，都是在一个处理器封装内集成不同工艺的核心，英特尔的EMIB封装中CPU核心、核显可以是10nm的，通讯及其他IP核心可以用14nm甚至22nm工艺。

此外，英特尔还对比过EMIB封装与传统2.5封装的优缺点，表示EMIB技术具有正常的封装良率、不需要额外的工艺、设计简单等优点。

总结：MCM胶水多核或许是未来处理器的常态

从被人调侃到重获重视，MCM多芯片模块这么多年来又重新成为多核处理器的有力武器，特别是在核心数超过的服务器处理器上。另一方面，如今的MCM多芯片设计在技术水平上也跟当年简单粗暴的胶水多核不一样了，主要担心的延迟问题上，英特尔之前提到他们的EMIB技术相比单片电路的延迟只增加了10%，而别的技术方案中延迟甚至会增加50%之多。

不过MCM多芯片技术对主流桌面处理器影响就没这么大了，未来两年高端桌面处理器应该或是8核16线程为主，所以AMD下一代的锐龙3000桌面处理器是否还会使用核心、IO分离的设计很值得关注。