芯片异构：竞争格局扑朔迷离

3月22日，英伟达发布了一款数据中心专属CPU——“Grace CPU超级芯片”。该芯片由两颗CPU芯片组成，其间通过NVLink-C2C技术进行互连。而NVLink-C2C则与近日英特尔与台积电、三星等多家科技厂商发起的UCIe标准有着异曲同工之妙，也是一种新型的高速、低延迟、芯片到芯片的互连技术，可支持定制裸片与GPU、CPU、DPU、NIC、SOC实现互连。

当前，新型数据中对算力需求日渐持续攀升，仅靠单一类型的架构和处理器无法处理更复杂的海量数据，“异构”正在成为解决算力瓶颈关键技术方向。chiplet（“芯粒”）技术被视为“异构”技术的集纳。3月初，英特尔发起的UCIe 标准将为chiplet（“芯粒”）技术提供统一接口和技术标准，台积电、三星、日月光、AMD、等厂商加入，但英伟达却按兵不动。

专家指出，这表明英伟达并没有想要游离在UCIe联盟之外，但也同时展现出了英伟达对NVLink-C2C的绝对信心，未来也许会组建自己的联盟。在全球异构计算领域，虽然AMD也占有一席，但从其加入了UCIe 标准联盟来看，AMD在“异构”上已经偏向英特尔这边，未来异构芯片之战主要在英特尔和英伟达之间进行，业界称之为“双英之战”。

 

英特尔的“芯粒联盟”

UCIe的魅力在于可以将各个企业的Chiplet规定在统一的标准之下，这样不同厂商、工艺、架构、功能的芯片就可以进行混搭，从而轻而易举地达到互通，并且还能实现高带宽、低延迟、低能耗、低成本。芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者表示，“小芯片”chiplet技术的发展有望推动异构计算的发展，chiplet技术提供统一接口和技术标准，解决异质封装的连接和传输效率问题（速率、能效上会有小幅损失）。UCIe标准将促进chiplet相关技术的发展，有望在性能和功耗方面达到平衡和商业化价值。

英特尔曾提出六大技术支柱，对XPU的实现起到了关键作用，包括制程、架构、内存、互连、安全和软件。异构计算虽然看似一个硬件层级的内容，但要释放其能力，需要芯片、系统、软件三层一体化考虑，才能够发挥作用。一是芯片层，指在芯片封装内的异构，和“小芯片”概念紧密相联；二是系统层，指多功能多架构的计算架构进行整合；三是软件层，统一的跨架构编程模型oneAPI，可以通过一套软件接口、一套功能库为开发者提供在不同架构上编程的便利性。在统一的UCIe标准下，异构的难度就会直线下降，并且效果更好。

目前，UCIe联盟已经囊括了半导体、封装、IP供应商、晶圆代工厂和云端服务提供厂商等上下游全产业链。AMD执行副总裁兼首席技术官Mark Papermaster表示：“UCIe标准将成为利用异构计算引擎和加速器来推动系统创新的关键因素。”

台积电科技院士、设计暨技术平台副总经理鲁立忠说：“该全行业联盟立志扩大封装级集成生态系统，台积电很高兴能加入其中。台积电提供各种硅技术和封装技术，为异构UCIe器件打造多种实现方案。”

日月光半导体工程与技术营销总监Lihong Cao博士指出：“业界普遍认为，异构集成有助于将基于小芯片的设计推向市场。”

英伟达或“另起炉灶”

然而，人们在关注UCIe联盟之余也发现，在UCIe联盟当中并没有英伟达与苹果这两大异构集成公司的身影。其中的原因，可以从英伟达CEO黄仁勋在近日召开的GTC 2022春季开发者大会上探知部分。

英伟达发布了NVIDIANVLink-C2C互连技术，其链路的能效最多可比NVIDIA芯片上的PCIe Gen 5高出25倍，面积效率高出90倍，可实现每秒900GB乃至更高的一致互联带宽。也就是说，在异构集成的小芯片互连方面，英伟达也在做与英特尔类似的事情。

“除NVLink-C2C外，英伟达将支持UCIe标准。与NVIDIA芯片的定制芯片集成既可以使用UCIe标准，也可以使用 NVLink-C2C。” 黄仁勋说。

对此有专家指出，这表明英伟达并没有想要游离在UCIe联盟之外，但也同时展现出了英伟达对NVLink-C2C的绝对信心，未来也许会组建自己的联盟。

赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念向《中国电子报》记者表示，英伟达自身拥有的NVIDIA NVLink-C2C 依托于 NVIDIA 世界一流的 SERDES 和 LINK 设计技术，可从 PCB 级集成和多芯片模组扩展到硅插入器和晶圆级连接。这可提供极高的带宽，同时优化能效和裸片面积效率。相较于UCIe标准，NVLink-C2C经过优化，延迟更低、带宽更高、能效更高。

苹果或许与英伟达有着同样的考虑。本月初，“跨界选手”苹果携地球最强桌面芯片M1 Ultra抢别人“饭碗”，产品性能超越一众CPU与GPU的专业选手。

芯谋研究分析师张先扬向记者表示，2022年3月9日苹果公布的自研芯片M1 Ultra是基于Chiplet工艺，该技术提供了2.5TB/s的超高带宽，远远领先于目前公布的UCIe1.0标准。也就是说，苹果的Chiplet产品路线通过与台积电的合作就可以完成，且领跑于当前UCIe标准，因此对苹果来说，加入该联盟不是必选项。

“异构”格局扑朔迷离

此前，全球异构计算领域一直维持在互相制衡的三国杀格局。但UCIe联盟的出现打破了原有的平衡，英特尔和AMD的亲密互动，英伟达的似离非离，让整个形势变得扑朔迷离。尽管合纵连横是上上之策，但打铁还需自身硬，想要在异构计算的壁垒中率先突围，实力才是硬道理，所以三巨头都在各自擅长的领域内大动干戈。

“三巨头”分别都有自己主导的异构计算体系。池宪念介绍道，英特尔主导的异构计算体系主要为其自身系列产品和服务使用，在PC与高性能移动计算领域具有优势；以IBM、谷歌、英伟达为主的OpenPower联盟则以IBM Power芯片架构技术为基础，主要面向高性能计算领域应用；以AMD、高通、ARM、三星、北京华夏芯等为主体的HSA(heterogeneous system architecture，异构计算系统)联盟，是完全开放的异构计算联盟，ARM、高通、三星等巨头参与其中，在高性能移动计算领域具有优势。

CPU龙头英特尔作为业界唯一拥有CPU、独立GPU、IPU、ASIC、FPGA、各种加速器的企业。在最近的投资者会议中提出了一个新架构-Falcon Shores，计划于2024年完成，这是一款将X86和Xe GPU 整合到一个Xeon插槽中的新架构。

英特尔中国研究院院长宋继强向《中国电子报》记者表示，将X86的主芯片加上GPU的性能整合在一起，这是一个创新。在性能上，Falcon Shores将提供超过5倍的每瓦性能、超过5倍的计算密度以及超过5倍的内存容量和带宽。

在记者问到英特尔与其他几家相比有哪些优势时，宋继强指出，一是技术基础稳固且强大；二是英特尔能有架构和多种不同加速器去处理合适的应用负载；三是英特尔提出了“软件优先”。这对开发者来说尤为重要。

GPU龙头英伟达在去年的GTC2021上公布了其专为人工智能和超算使用需求打造的Grace CPU系列产品，并且打造了全新的芯片路线“GPU+DPU+CPU”。而在今年的GTC2022上，英伟达宣布推出首款面向AI基础设施和高性能计算的基于Arm Neoverse的数据中心专属CPU-“Grace CPU 超级芯片”。

GraceCPU 超级芯片是专为AI、HPC、云计算和超大规模应用而设计，由两个CPU芯片组成，两者通过NVLink-C2C进行互连。并且能够在单个插座（socket）中容纳 144 个 Arm核心，在 SPECrate 2017_int_base 基准测试中的模拟性能达到业界领先的 740 分。根据 NVIDIA 实验室使用同类编译器估算，这一结果较当前的DGX A100要高1.5倍以上。

黄仁勋对其偏爱有加，赞扬道：“Garce的一切都令人惊叹，我们预计Grace超级芯片届时将是最强大的CPU，是尚未发布的第5代顶级CPU的2到3倍。”

对于英伟达来说，Grace CPU的出现使英伟达的CPU产品不再受英特尔和AMD的限制，英伟达虽然是全球GPU霸主，但GPU只负责运算加速，需要依靠CPU下达指令才能执行，所以GPU和CPU的沟通就显得格外重要。

尽管此前闹得沸沸扬扬的ARM收购案虽然以失败告终，但这也是英伟达向外界传递的信号，对于增强自身在异构方面的决心展露无遗。

新晋FPGA龙头AMD在合并赛灵思完成后，摆脱各个行业只能第二的处境，AMD就此成为继英特尔后又一家兼具CPU、GPU、FPGA三大产品线的半导体厂商，未来AMD的CPU将与赛灵思的FPGA结合为CPU+FPGA的异构模式。赛灵思深耕的FPGA产品，2020年在FPGA市场，赛灵思全球和中国境内市场份额均达到50%~55%。对于赛灵思的收购，AMD总裁兼首席执行官苏姿丰表示，AMD通过有效整合赛灵思在FPGA方面的优势，能够提供具有更广泛高性能的计算产品组合，提供从CPU到GPU、ASIC、FPGA系统级解决方案。同时，借助赛灵思在5G、通信、自动驾驶和行业领域的资源，AMD能够将高性能计算能力带入更多领域，扩展到更广泛的客户群体中。而且AMD未来可实现FPGA在现成CPU 上运行编程语言，并研发出用于实现某些功能或软件堆栈的定制ASIC产品。

AMD全球高级副总裁、大中华区总裁潘晓明曾在2021世界半导体大会上表示：“今天和未来的工作负载需要强大的计算能力，异构计算是关键的未来趋势。AMD未来在计算、图形和解决方案的三个方面聚焦高性能计算，在持续发展的行业中保持高性能计算领导力。”

 

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作者丨许子皓

编辑丨赵晨

美编丨马利亚

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