後摩爾定律時代的晶元新選擇！

很長一段時間以來，摩爾定律和它的最終結局一直就像房間里的大象，不容忽視。英特爾聯合創始人戈登·摩爾在1965年的一篇論文中預測，晶元中的晶體管數量每年將翻一番。更多的晶體管意味著更快的速度，而這種穩定的增長推動了幾十年的計算機進步。這是CPU製造商提高CPU速度的傳統方式。但晶體管的這些進步正顯示出放緩的跡象。多倫多大學電氣和計算機工程教授Natalie Jerger說：「這已經沒了動力。」

圖片: Alex Cranz, Gizmodo

不只Jerger一個人這麼說。2016年，《麻省理工學院技術評論》宣稱，「摩爾定律已死」，今年1月，Register發布了一份摩爾定律的「死亡通知」。如果你在過去幾年裡買了一台筆記本電腦，你可能也注意到了。CPU看起來比前一年快不了多少。英特爾生產了我們的大多數筆記本電腦、台式機和伺服器中CPU，自2014年以來，英特爾很少能夠讓CPU性能提高15%以上，而AMD，即使採用了一些相當激進的新設計方法，通常也只是與英特爾並駕齊驅。

在英特爾和AMD（直到最近）所採用的典型的「單片（monolithic）」設計風格中，CPU由半導體材料組成——通常都是硅。這就是所謂的晶元（die）。在晶元的頂部是一系列晶體管，因為它們都在同一個晶元上，所以它們可以快速地相互通信。更多的晶體管意味著更快的處理速度，理想情況下，當你縮小晶元的尺寸時，晶體管就會更緊密地組裝在一起，並且可以更快地相互通信，從而帶來更快的處理速度和更高的能源效率。在1974年，第一個微處理器，英特爾的8080，是建立在一個6微米的晶元上。明年的AMD處理器預計將建立在一個7納米的晶元上。這幾乎縮小了1000倍，而且速度快得多。

圖片：Alex Cranz, Gizmodo

但AMD最近憑藉其聽起來荒唐的Threadripper CPU實現了最大的速度提升。這些CPU核心數量從8個到32個不等。核心類似於CPU的引擎。在現代計算中，多核可以並行工作，允許某些利用多核的進程運行得更快。擁有32個內核可以將Blender中3D文件的渲染時間從10分鐘縮短到僅一分半鐘，PCWorld運行的這個基準測試可以看到這一點。

另外，32核處理器聽起來很酷！AMD通過採用chiplet設計實現了這一點。它所有的現代CPU都使用一種叫做Infinity Fabric的東西。今年早些時候在接受Gizmodo採訪時，AMD計算和圖形業務部門前總經理Jim Anderson稱，這是AMD最新的微架構Zen的「秘方」。與此同時，CTO Mark Papermaster稱其為「隱藏的寶石」。

Infinity Fabric是一種基於開源的Hyper Transport的新系統匯流排架構。系統匯流排完成了你認為它會做的事情——從一個點到另一個點的數據匯流排。Infinity Fabric的巧妙之處在於它能夠非常快地傳輸數據，並允許用它構建的處理器克服chiplet CPU設計的一個主要障礙：延遲。

圖片: Alex Cranz, Gizmodo

chiplet的設計並不新鮮，但它通常很難實現，因為很難在單獨的晶元上製造出一堆晶體管，使這些晶元儘可能快地相互通信。但有了AMD的Threadrippers，你就可以在無限的結構上配置許多典型的Ryzen CPU，它們的通信速度就像在一塊晶元上一樣快。

它運行得非常好，其結果是超高速處理器的製造成本非常低廉，以至於AMD能夠以相當於英特爾幾分之一的價格出售處理器，而英特爾繼續在其高核心數量中使用單片設計。在某種程度上，Infinity Fabric是一種欺騙摩爾定律的方法，因為它不是單個快速CPU，而是通過Infinity Fabric連接的一系列CPU。所以AMD並沒有克服摩爾定律的限制，而是繞過了摩爾定律。

Jerger說：「如果你回過頭來說，『好吧，摩爾定律實際上就是關於功能的更大集成。』我確實認為chiplet不會以任何方式幫助整合更多小型晶體管，但它確實幫助我們建立了比上一代人更強大的功能和能力的系統。」

圖片: Alex Cranz, Gizmodo

她指出，在某些情況下，這種圍繞chiplet設計的對話是對一家公司更顯著的失敗的一種偏移。她指的是英特爾，在過去幾年裡，英特爾一直在努力克服晶體管不能永遠微縮的局限性。它一直停留在14納米處理器，而且一年以來一直承諾10納米處理器，但未能兌現。對於英特爾來說，這是一個可怕的尷尬，當其他晶元製造商繞著這家晶元巨頭跑了幾圈之後，情況變得更加糟糕。今年，蘋果售出了數百萬部內置7納米處理器的手機和iPad，而AMD則在2019年發貨了12納米處理器，並承諾在2019年推出7納米處理器。AMD今年在台北舉行的Computex大會上也公開讓英特爾感到難堪：英特爾承諾在今年年底前推出一款28核的CPU（目前還沒有出貨），幾天後，AMD推出了一款32核CPU，自8月份以來一直在出貨，價格是英特爾CPU預計價格的一半。相比之下，英特爾最近承諾的2019年向10納米工藝遷移的拖延已久的計劃顯得有些可悲。

這就是為什麼你不應該把它對chiplet CPU設計的擁抱看作是一個巧合。在某種程度上，這似乎是英特爾在鼓吹很酷的創新，以轉移人們對重大創新失敗的關注，甚至跟上競爭對手的步伐。

圖片：Alex Cranz, Gizmodo

不過，儘管這款chiplet CPU是為了分散英特爾10納米問題的注意力，但它實際上也相當酷。英特爾在chiplet設計方面的首次嘗試是在去年春天相對低調地推出了G系列CPU。G系列CPU實際上是與AMD合作開發的，AMD提供了GPU，英特爾的CPU可以與之通信。英特爾沒有依賴AMD的Infinity Fabric之類的東西，而是開發了一種名為嵌入式多模互連橋（EMIB）的東西，它可以讓CPU、GPU和4 GB的高帶寬內存以接近同一晶元上一系列組件的速度進行通信。它的速度很快，當我們在3月份進行測試時，它給我們留下了深刻的印象。它預示著一個很酷的未來，我們的集成GPU最終會變得像英偉達GTX和RTX系列這樣的分立GPU一樣快。

但EMIB也像是對英特爾本月早些時候宣布的一款產品進行的一次試水，該產品預計明年上市：它是一款10納米CPU，帶有集成3D堆疊的chiplet設計。與EMIB和Infinity Fabric一樣，3D堆疊也是一種chiplet設計工具。但是，Infinity Fabric和EMIB只是讓傳統CPU部件更快地相互通信的方法，而3D堆疊增加了另一個維度。

使用3D堆疊的CPU布局示例。（圖片：英特爾）

通常晶元被放置在一個水平面上，這樣晶元的每個部分都可以與散熱器接觸，保持涼爽。3D堆疊，如果可以正確處理散熱，則可以把CPU構建得更高而非更大。有點像高層建築vs牧場式住宅。

英特爾對3D堆疊技術非常感興趣，它認為3D堆疊技術比Infinity Fabric或EMIB更能避開摩爾定律。據英特爾工藝與產品集成總監Ramune Nagisetty稱，這是摩爾定律的「進化」。她在幾周前的談話中澄清了一些事情：

「如果你花時間去挖掘戈登·摩爾寫的那篇論文，你就會明白這一點。這真的很有趣，因為在那篇論文中的一段，他實際上預示了封裝集成的使用。他沒有使用我們今天使用的語言，但他確實說過，建立一個由小功能組成的大系統是更加經濟的，這些小功能是分開封裝並相互連接的。」

我不確定我是否完全同意Nagisetty認為這是一種演變的觀點，但她和Jerger都承認，摩爾最初的論文中的語言有一些靈活性，而且這些封裝集成（或稱為chiplet設計）的確讓新的CPU設計模式超出了摩爾在1965年設想的模式。

今年，我們還沒有確切地看到摩爾定律的死亡，但英特爾和AMD都知道死期在快速逼近，二者選擇了稍微不同的想法。這些公司現在正在接受一種允許他們製造許多更小、更定製化的晶元的設計，而不是製造一種速度快得令人難以置信、適用於大多數人的單一晶元。

對於Jerger而言，這種靈活性是令人興奮的。她說：「在這之前，一切都是關於大批量生產——我必須生產大多數人想要的東西，因為這是我賺錢的唯一途徑。現在，你可能會變得更加多樣化，我認為這讓學術界和初創企業有機會做一些很酷的硬體設計。」

想像一下，CPU是專門為你的計算機的精確需求而構建的。這就是我們正在走向的潛在未來。這一切都是從把單片晶元拆成chiplet開始的。

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