苹果M1 ULTRA 玩起“双芯片融合”,好处都有啥

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在 3 月 9 日的苹果春季发布会上苹果发布了诸多新品，其中最亮眼的当属苹果顶级旗舰芯片 M1 ULTRA。那么作为 M1 系列最后一款芯片，M1 ULTRA 到底怎么样呢？

1 个 M1 ULTRA =2 个 M1 Max

如果用一句话简单概括一下 M1 ULTRA 那就是：将 2 枚 M1 Max 通过封装融合成一体，成为一枚芯片。

M1 Max 实现了突破性的 Die-to-Die（裸片到裸片）技术，因此可以基于两个 M1 Max 的裸片扩展为 M1 ULTRA，通过创新性的定制架构 UltraFusion 连接在一起，带来两倍的性能表现。UltraFusion 架构采用硅中介层连接一万余个信号点，在两个裸片之间实现了 2.5TB / s 的低延迟处理器互联带宽。

从目前公布的信息看，苹果早在开发 M1 Max 时就考虑到了这种“双芯融合”的方案，在芯片版图的上为将来的 Die-to-Die 连接预留了位置。那么这样做有什么好处呢？

性能提升

对于目前的苹果来说，目前所使用的台积电 5nm 工艺已经算是业界最顶尖的工艺了，台积电的 3nm 还在路上。那么这种情况下，苹果想推出一款性能更强的芯片该怎么办呢？这时有两种办法：

第一，是再设计一款面积更大的芯片。

第二，是将原来的芯片组合在一起使用，也就是说一次用两颗。

对于熟悉半导体行业的朋友来说应该都对 5nm 芯片高昂的造价有所耳闻，再设计一款面积更大的芯片，即使是苹果成本上也很难抗住。那么就剩下第二条了，将两个芯片或者更多数量的已有芯片合在一起使用。

如果想把两枚芯片连在一起用，目前业界的主流做法是通过主板 PCB 连接。

比如像这款华硕的 WS C621E SAGE 主板就属于双路 CPU 主板，在设计之初就支持两块 CPU 同时工作。

但这样做缺点也很明显，比如两个 CPU 的插槽以及相应连接所需的布线明显会占用很大的 PCB 面积，这样做出来的产品尺寸会很大。而且由于两个 CPU 之间是通过 PCB 走线连接，延迟会变得很大。

在这里我们不难发现，通过主板 PCB 连接两块 CPU 所带来的缺点基本都是连线过长导致的，那么缩短两个芯片之间的连线距离不就可以解决了吗？“胶水双核”由此出现了。

“胶水双核”是指使用特殊方法将两个或更多芯片封装在一起制造的处理器。由于这种特殊方法像是将两个或更多核心用胶水粘在一起，由此而得名“胶水双核”。

“胶水双核”技术最早可以追溯到 1995 年的英特尔的 Pentium Pro，但这并不是一项落后的技术。

比如 AMD 一代 EPYC（霄龙）处理器就采用了这种所谓的“胶水双核”技术。在图上可以清晰地看出，它将 4 颗 Die（裸片）封装到了一颗 CPU 中。这样 4 颗裸片的产品在性能上无疑是要强于 1 颗裸片（裸片型号相同）的产品。

在 AMD 一代 EPYC 处理器的开盖视频中我们可以发现，每颗裸片之间都有着毫米级肉眼可见的间距。苹果所做的则是在此基础上更近了一步，将两颗裸片“贴脸”封装，使得两颗裸片之间的连线变得更短。并且由于之前设计 M1 Max 时预留的接口，两颗裸片之间可以用更快的速度进行通讯，最终实现了两颗裸片之间 2.5TB / s 的连接带宽。

节约成本

虽然大家都知道芯片的流片成本很高，但其实只是流片的门槛成本高。当一款芯片开始大批量生产之后，边际成本是比较低的。举个例子来说，造芯片就像是造塑料洗脸盆。洗脸盆的生产线搭建起来很贵，但你把洗脸盆的生产线搭建起来之后，后面所需的材料成本就很低了。

如果这时候你想生产另一种尺寸的塑料洗脸盆，那你就需要修改生产线甚至重新搭建一条新生产线，这样就贵了。

所以对于此时的苹果来说，如果单独设计另一个更大尺寸的芯片，而且还是 5nm 的芯片，成本是非常高的。所以苹果最终的选择是将两颗 M1 Max 封装到一起，这样新产品可以继续利用原有 M1 Max 的生产线，只需要最后将裸片进行特殊封装就可以了。

这就像是一个生产塑料洗脸盆的厂商，原来是一个洗脸盆装一个纸箱，现在变成了两个洗脸盆装一个纸箱，此时只需要重新订购更大尺寸的纸箱就可以了。

另一方面，就是裸片的良率问题了。当裸片的面积越大时，良率就会越低。

假设一块小晶圆上面最多可以生产 4 块 M1 Max，如图所示当晶圆上出现一个“坏点”时，最终就只能生产出 3 块 M1 Max，这时良率是 75%。而当出现两个“坏点”时，最终就只能生产出 2 块 M1 Max，这时良率是 50%。但如果直接生产 M1 ULTRA 这样大面积的裸片会发生什么呢？

这时同样的一个晶圆上最多可以生产 2 块 M1 ULTRA。如图所示当晶圆上出现一个“坏点”时，最终就只能生产出 1 块 M1 ULTRA，这时良率是 50%。而当出现两个“坏点”时，最终就只能生产出 0 块 M1 ULTRA，这时良率是 0%。

由此可以看出当裸片的面积越大，其它条件相同时，良率就会越低。反之如果把一个大芯片分成两个小芯片做，良率就会提高。良率提高了，相应成本也就省下来了。

结语

在文章的最后，我有一些想法和补充的信息，在此分享给大家。

1、苹果作为一家 Fabless（无晶圆厂模式）公司，对于半导体工艺发展进入瓶颈这件事是无能为力的。只能等待台积电、三星等晶圆厂研发出更先进的工艺。

2、在工艺进入瓶颈之后，芯片性能如果再想提升，苹果这种做法是简单粗暴而且有效的。

3、Die-to-Die 技术的本质是将一个大的 Die（裸片）分成几个小的 Die（裸片）来做，这样成本更低。

4、现在业界也有这种设计的趋势，将原来一个大芯片拆成几个小芯片进行设计制造。

5、这种技术并不是完美的，比如会引入额外的散热负担。而通过主板 PCB 连接两颗 CPU 这种方式，散热问题会小很多。毕竟间距够大，可以通过多个散热器解决。

6、基于此种情况进行一个预测，M1 ULTRA 的实际性能不会是 M1 Max 的 2 倍，但应该能超过 1.5 倍。毕竟苹果有“单管压 i9”的前例在，散热问题处理得怎么样还是要等真机发售之后看。