蘋果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，都能夠看出蘋果對它寄予了厚望。

M1 Ultra采用了蘋果創(chuàng)新性的UltraFusion封裝架構(gòu)，通過兩顆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)22萬億次運(yùn)算，提供的GPU性能是蘋果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核臺式個(gè)人電腦芯片中速度最快的型號（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，簡單芯片加倍的M1 Ultra共有兩種規(guī)格，與之對應(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，這是其他芯片無法做到的。

M1 Ultra還集成了一系列其他定制化蘋果技術(shù)，例如能夠驅(qū)動多個(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，包括蘋果最新的Secure Enclave功能、硬件驗(yàn)證的安全啟動和運(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。依照蘋果硬件部門資深副總裁Johny Srouji說明，M1 Ultra將是M1系列最后一款產(chǎn)品，但蘋果并未說明是否還有其他組合可能性。

開創(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”十余載的蘋果，面對物理工藝節(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。

在如今新制程升級困難、良率降低，芯片速度增長緩慢的情況下，“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)級增長，看起來是個(gè)有效的升級方式。

從成本上來說，業(yè)界分析稱蘋果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1000美元，蘋果M1 Ultra的性價(jià)比更高。

提升性能最常用的做法，是通過主板來連接兩枚芯片，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)布的蘋果M1 Max芯片中，但直到3月的蘋果Peek Performance活動才被明確提出。

它可同時(shí)傳輸超過10000個(gè)信號，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，也會被所有軟件識別為一枚完整芯片，開發(fā)者無需重寫代碼就能直接運(yùn)用它的強(qiáng)大性能。這在史上從無先例。

從M1 Ultra發(fā)布的UltraFusion圖示可以看到，蘋果M1 Ultra應(yīng)該是采用臺積電基于第五代CoWoS Chiplet技術(shù)的互連架構(gòu)，透過硅中間層（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面（Face to Face，互連層與互連層對接）的連接方式。

在UltraFusion技術(shù)中，通過使用裸片縫合（Die Stitching）技術(shù)，可將4個(gè)掩模版拼接來擴(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)蘋果公司的專利顯示，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：蘋果的專利顯示，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300nF/mm2，幫助各芯粒和信號互連享有更穩(wěn)定的供電。

· 新的熱界面材料：UltraFusion通過集成在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)勢便是降低成本，擺脫對先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的依賴，甚至可以彎道超車。不過Chiplet是將芯片2D、3D堆疊，對于熱管理設(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，通用芯粒互連技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，藉此擴(kuò)大推動Chiplet技術(shù)應(yīng)用生態(tài)。而同時(shí)，業(yè)界熱議，為何蘋果沒有加入該聯(lián)盟？

M1 Ultra芯片的問世，使得蘋果芯片再次刷新了行業(yè)認(rèn)知。讓人們意識到，在先進(jìn)封裝方面，蘋果無意加入該聯(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是蘋果野心的進(jìn)一步延續(xù)，連最有錢的蘋果也轉(zhuǎn)向Chiplet了，這預(yù)示著也許未來在消費(fèi)級領(lǐng)域，高性能產(chǎn)品走Chiplet這條路可以走得通。

對于產(chǎn)業(yè)來說，Chiplet帶來了新的機(jī)會，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)；對于芯片制造與封裝來說，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；對于半導(dǎo)體IP來說，升級為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；最后對于芯片設(shè)計(jì)來說，降低了大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)的門檻。