近期，有人指出當前的異質集成和芯片討論與其說是一種創(chuàng)新，倒不如說是美國制造商混淆自己無法保持在芯片制造領先地位的一種做法。雖然大量封裝集成在當下并不是什么新鮮事兒，但毫無疑問，我們正處于從集成到SoC的轉型中。

近日，蘋果發(fā)布的M1自研芯片引來多方關注，我們似乎可以從M1中窺視到未來SoC的藍圖。

M1基于一塊定制的蘋果SoC硅芯片，它將為新款Macbook Air以及一些Macbook Pro和Mac Mini機型提供動力。蘋果的新M1芯片有很多東西。它的速度要快得多:有了它的電腦在大多數(shù)任務上比它們的前輩快三倍。它的效率高得多，電池續(xù)航時間是新款筆記本電腦取代的搭載英特爾(intel)處理器的Macbook的兩倍?？梢韵胂螅琈1芯片在SoC的技術絕非普通?？纯刺O果公司的M1模具照片，將它設計成chiplets似乎不算是什么創(chuàng)新，此外，額外的互連和通信開銷會帶來更多的麻煩。

對蘋果來說，支持SoC方法的另一個理由是，它們大多已經超出了使用其他任何物理布局IP核的范圍。為了優(yōu)化系統(tǒng)和(大概)改善用戶體驗，蘋果負責大部分的電路塊，并專注于嚴格控制物理設計和硬件-軟件集成。他們不會購買供應商設計的硅片或硬核IP，將其嵌入到他們的處理器設計中。

就像iPhone和iPad的Lightning Dock接口一樣，蘋果接管電腦平臺的想法已經存在了一段時間。其中提到的一種方法是，基于arm的移動處理器可能通過將iOS軟件與A系列芯片相結合，從而進入傳統(tǒng)計算機領域。由于蘋果似乎將其大部分資源集中在iPhone和iPad上，這樣對PC部門有些不利。但我們現(xiàn)在看到蘋果正在為他們的完整OS X系統(tǒng)進行設計。

再看看M1芯片總體布局，它的設計非常類似于A系列處理器和移動應用處理器。但要弄清楚兩者究竟有哪些重疊之處可能需要一段時間，許多平面圖分析師會開始將蘋果的A14和M1作比較。

新一代電腦，尤其是蘋果筆記本，經常因為使用BGA封裝而不是插入模塊來設計RAM的升級路徑而飽受詬病。而蘋果通過將DRAM與M1模具放在一個通用封裝基板上之后，使這一概念更接近處理器。但這么做不是chiplets。Apple photos將它們描述為這就像模塊或主板一樣，是一種DRAM的打包商品。雖說蘋果還沒有設計自己的DRAM，但它很高興重塑了現(xiàn)在的商用組件。

M1還具有統(tǒng)一內存架構(UMA)。M1將其高帶寬、低延遲內存統(tǒng)一到一個自定義封裝內的單個池中。這樣，SoC中的所有技術都可以訪問相同的數(shù)據(jù)，而無需在多個內存池之間復制數(shù)據(jù)。這極大地提高了性能和功率效率。所以，視頻應用程序更加快捷，游戲更加豐富和細致，圖像處理具有閃電般的速度，你的整個系統(tǒng)反應會更靈敏。

蘋果聲稱M1 Macbook Air的速度將是最新英特爾版本的3.5倍。性能提升的部分原因可能是他們在這個版本中使用的DRAM類型?？上В麄儾]有詳細描述“統(tǒng)一內存架構”的任何線索?；氐焦栊酒?，將GPU與芯片結合可能是另一個性能提升。

我們回到通過封裝集成來分解芯片和優(yōu)化系統(tǒng)的問題，對M1 SoC芯片布局與更傳統(tǒng)多核處理器進行比較。例如，為滿足筆記本電腦、臺式機和服務器市場的需求，英特爾一直在生產一系列的微處理器。以筆記本電腦為例，我們需要滿足用戶需求，即他們想要的是性價比更高的設備，而玩家注重的是最好的性能。英特爾需要生產只有幾個或多個核心的芯片。這可以通過不同的設計來實現(xiàn)，或者通過禁用核心來解決低成本的應用。兩種選擇似乎都不太有吸引力。

通過將內核和其他功能拆分為可在封裝平臺上根據(jù)需要集成的小芯片，以優(yōu)化更小范圍的應用程序。這并不是說芯片技術不會帶來額外的成本，但潛力肯定是存在的。英特爾通過兩種封裝技術——Foveros和嵌入式多模互連橋接(EMIB)，一直在積極推廣這一想法，這兩種技術都已在生產設備。

M1的性能真的有那么夸張嗎？

蘋果很難不夸張地宣稱新的M1芯片性能。通常，計算性能的重大進步可能會使處理速度提高20%或30%——但新計算機將這個數(shù)字以十倍增長，數(shù)據(jù)表明，計算機的一般能力是原來的三倍，在某些任務上的速度高達11倍。這聽起來可能難以置信。蘋果知道這一點，因為它實際上并沒有預料到這些電腦會有如此大的進步:即使當他拿到這些新電腦時他們也無法相信。

其余玩家也沒閑著

AMD在這個領域也非?；钴S，他們的新Zen 3架構設計突出了chiplet方法的可擴展性。AMD將這一設計分為計算核心芯片(CCD)和用于I/O功能的獨立芯片——IO die（IOD）。

簡單說一下文中的CCD，它指的并不是相機里的傳感器。CCX是CPU Complex的簡寫，它是AMD Zen架構的最基本組成單元，每個CCX整合了四個Zen內核，每個核心都有獨立的L1與L2緩存，核心內部擁有完整的計算單元，不再像此前的推土機架構共享浮點單元，這四個核心將共享L3緩存，每個核心都可以選擇性的附加SMT超線程，另外CCX內部的核心是可以單獨關閉的。

AMD所說的CCD其實是Core Chiplet Die的縮寫，是伴隨最新的Zen 2架構處理器所誕生的縮寫。Zen 2架構處理器不是一個封裝在一起的大核心，而是被分為了CCD核心以及I/O核心兩個部分，其中CCD核心是單純的計算核心，里面包含兩個CCX，也就是每個CCD是8核16線程的，而內存、PCI-E、USB以及SATA控制器都被整合到I/O核心里面，而這些核心會被一同封裝進一顆銳龍3000系列處理器里面。

新的Ryzen 5000芯片是集成芯片和處理器核心擴展的一個典型例子。首先，Ryzen的設計通過增加第二個CCD來增加更多的核心，以滿足特定的需求。其次，Ryzen是異構整合的典型案例。芯片制造工藝是臺積電的7nm技術，而IOD芯片是在GlobalFoundries的12nm工藝。這就是新的計算范式。

現(xiàn)在是時候考慮處理器開發(fā)的未來了。蘋果內部硅設計的壟斷市場是非常具體的。蘋果最多有兩種不同的產品類型——筆記本和臺式。對于iMac產品線，我希望同樣的設計能在那里得到重用。畢竟，基于M1的Macbook Pro使用的是與air相同的處理器，只是增加了風扇，這使得相同處理器的運行更加困難一些。只要蘋果繼續(xù)支持這一終端市場，他們的產品可能會繼續(xù)使用英特爾處理器，所以，Mac Pro系列可能不會有自己的設計。

那么移動應用處理器呢?蘋果的A系列、高通的Snapdragon和三星的Exynos等公司將繼續(xù)設計完整的SoC芯片。

英特爾和AMD則是另一番景象。這兩家公司都是為蘋果以外的所有電腦進行設計，需要從大量潛在用戶中篩選。更多的設計靈活性為占領更大的市場提供了優(yōu)勢，為了滿足更高端的應用，可以通過有選擇地激活更多的內核來覆蓋過多的產品或相同的模具來實現(xiàn)，從長遠來看這么做還有點難度。然而，chiplet的做法還是有意義的， AMD和英特爾已經朝這個方向發(fā)展。

回顧過去，Xilinx通過其2.5D集成方法實現(xiàn)了早期的異構集成，該方法利用一個硅插入器作為Virtex 7上的多個FPGA芯片的平臺。當時，我們討論的是3D整合的第一步。Xilinx首席技術官Ivo Bolsens表示，2.5D技術可能是3D技術的長期替代方案。近十年后，情況似乎確實如此。

先進的FPGA產品是挖掘更多chiplet機會的地方。Xilinx擁有使用ARM內核、PCI express選項、收發(fā)器以及可編程陣列的大量片上SoC集成方法。例如，Xilinx Zynq產品線包括配備四核Cortex A53的Ultrascale+ RFSoC、雙核Cortex- r5f、PCI Express、DisplayPort、USB 3.0，以及片上SRAM和一組用于外部存儲器的控制器。

回顧過去，英特爾也著眼于芯片，即多芯片模塊(MCM)，是將FPGA芯片與他們的處理器集成起來。在2010年英特爾開發(fā)者論壇上，他們發(fā)布了Atom處理器E600系列。E600是一個基于通用BGA基片，使用Altera FPGA的可配置Atom處理器。

M1之后會有多大改進？

蘋果將其第一個自研芯片命名為M1，據(jù)了解，M1 Garand是第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭期間的標準美國軍用步槍所用的名字。顯然將會有M2、M3等產品出現(xiàn);這個名字引發(fā)了人們對未來mac電腦外觀的猜測。蘋果當然不會對這些芯片中可能出現(xiàn)的東西發(fā)表評論——它在發(fā)布會上說，新的處理器是芯片家族的開端，但僅此而已——但有線索表明，他們在第一代電腦中可能會做什么。

M1首先推出三款不同的產品：Macbook Air、Macbook Pro和MacMini。后者在陣容中占據(jù)了自己的位置，但鑒于Air和Pro現(xiàn)在擁有完全相同的芯片，它們如何保持與眾不同呢？

“熱容”！蘋果軟件主管Craig Federighi果斷地說。Pro有風扇——蘋果稱之為“主動冷卻系統(tǒng)”，而Air沒有，其余的性能都是從那里來的。

Federighi開始畫出一幅大家都很熟悉的圖表。真正阻礙這些芯片發(fā)展的是熱量:當你給它們更多的冷卻時，它們會變得更快。Macbook也有一些其他的優(yōu)點，比如電池容量更大，但真正讓它們咆哮的是額外的頭部空間。

如果這就是Macbook Air和Macbook Pro之間的區(qū)別——Macbook Pro即使在更大的電腦里，所有的東西都被緊密地打包在一起——想象一下像Mac Pro這樣的電腦可能會有什么樣的性能，Mac Pro有三個巨大的風扇。當然，蘋果不會參與規(guī)劃這一愿景，但如果他們不打算進行推測，那么我們可以;這些計算機，一旦準備好了，確實會非常快。

M1雖然只是一塊小小的芯片，卻能決定世界上最大公司的未來和命運。