隨著GPU在數據中心當中的應用越來越普及，原本用于CPU的MCM（多芯片封裝模塊）開始向GPU領域滲透，特別是在高性能計算領域，在業界受到了越來越多的關注。

　　近日，在AMD第二季度財報中，該公司確認了其具有第二代 CDNA 架構的下一代 Instinct MI200加速器的初始出貨量。據悉，MI200配置了Aldebaran GPU，這是一個雙芯片處理器，采用了MCM封裝。該GPU開始出貨，標志著AMD成為第一家向客戶交付采用MCM技術的GPU公司，領先于競爭對手英特爾和英偉達（NVIDIA）。

　　何為MCM？

　　MCM是由同一器件中的多個Die（兩個或更多）組成的電子封裝系統。它安裝在基板上，襯底上的管芯由導線連接。

　　與傳統架構（如用于GPU的SLI和CrossFire）相比，MCM可提供更高的性能，并減小組件的尺寸。通過MCM封裝系統，器件或模塊可以克服重量和尺寸限制，并提供超過30%的效率。

　　MCM的優點可以概括如下：更高的可靠性；更靈活地集成不同的半導體技術；通過減少陣列之間互連的長度來提高性能；尺寸更小；產品可快速上市；降低了復雜性并簡化了設計。

　　通常，MCM模塊有3種類型，具體取決于基板技術：MCM層壓 （ MCM-L ）、沉積 （ MCM-D ） 和陶瓷 （ MCM-C ）。

　　以前，MCM主要用于CPU，最近逐步進入GPU領域。

　　MCM用于GPU的優勢和挑戰

　　MCM GPU與傳統帶有多個GPU的顯卡之間的最大區別在于，前者是一個單獨的封裝，后者是一個PCB板卡，前者的板載橋接器取代了兩個獨立顯卡之間的Crossfire或SLI橋接器。

　　傳統的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 總線來交換數據、紋理、同步等。由于GPU之間的渲染時間會產生同步問題，因此在許多情況下，傳統的雙GPU顯卡，即單個PCB上的兩個芯片由它互連，每個芯片都有自己的VRAM。SLI或CrossFire的能耗很大，冷卻也是一個挑戰，這些在很長一段時間內都困擾著工程師。

　　MCM GPU就是為了解決以上問題而出現的。不過，MCM GPU并不完美，它同樣面對著諸多技術挑戰和難題。

　　在進行MCM GPU設計之前，需要解決封裝和互連方面的軟件問題，因為兩個或更多GPU，無論多么緊密地連接在一起，要想在一起協同工作，并不是一件容易的事。MCM作為能夠用于并行處理的組件，其GPU之間使用不同的內存訪問，設計的復雜性會成倍增加。這需要開發人員在軟件方面進行大量“修補”。在消費級的PC應用方面，很少有游戲玩家實際運行多GPU設置，因為其回報很少，因此沒有人愿意做這么多的軟件工作。不過，如果應用于數據中心和云計算，情況就不同了，這樣的高性能計算應用對GPU提出了更高的要求。雖然多芯片GPU系統還是新生事物，許多圖形工作負載不能很好地擴展（有些甚至根本不能擴展），但每臺服務器有多個GPU，由于具有超級計算和數據中心的并行化性質，這就可以很好地擴展工作量。

　　而如果能解決MCM GPU的瓶頸問題，回報將是誘人的。這也正是MCM GPU首先出現在數據中心應用領域的主要原因，今后，隨著技術的不斷成熟，以及PC應用性能的提升，其在消費電子領域的應用也將會出現。

　　三強爭霸

　　在企業界，最早應用MCM技術的是IBM，那是在上世紀70年代和80年代之間，主要用于該公司的POWER架構CPU。而將MCM發揚光大的是英特爾，自然也是用于CPU。2013年，該公司的22nm制程處理器Haswell就用到了該技術。2014年，14nm制程的Broadwell 架構問世，這是一個SoC平臺，它使用了“堆疊”基板架構，也就是MCM，將多個陣列垂直堆疊在了一起。

　　最近幾年，英特爾開始研發獨立的GPU，也就是其Xe架構產品，為了順應技術發展和應用需求，該公司開始將MCM應用于其最新的GPU產品，據悉是基于Xe HPC架構的Ponte Vecchio加速器，但具體問世時間還未確定。

　　AMD則快人一步。2020年，該公司把游戲卡與專業卡的GPU架構分家了，游戲卡的架構是RDNA，而專業卡的架構叫做CDNA，首款產品是Instinct MI100系列。今年6月，AMD首席執行官蘇姿豐博士提到了CDNA 2架構及其產品，表示會在年內推出，不久前發布的Q2財報則確認CDNA 2 GPU已經向客戶發貨了。CDNA 2基于CDNA架構，是專為數據中心設計的。

　　近日，AMD更新了CDNA 2的說明，其GPU核心代號是Aldebaran，它會成為AMD第一款采用MCM多芯片封裝的產品，也就是Instinct MI200。Aldebaran是AMD的第一款MCM GPU，但它是為數據中心準備的。在PC方面，2022年引入下一代RDNA 3架構后，基于MCM的消費級Radeon GPU也會出現。

　　據悉，采用MCM封裝的CDNA 2內部將整合兩個Die，每個芯片上有128組CU單元，如果每組CU還是128個流處理器的話，預計會擁有16384個流處理器，預計還會搭載128GB的HBM2e顯存，而目前的Instinct MI100只有7680個流處理器，搭載32GB的HBM2顯存。

　　制造多芯片計算 GPU 類似于制造多核 MCM CPU，例如Ryzen 5000或Threadripper處理器。首先，將芯片靠得更近可以提高計算效率。AMD 的 Infinity 架構確保了高性能互連，有望使兩個芯片的效率接近一個的。其次，使用先進的工藝技術批量生產多個小芯片比大芯片更容易，因為小芯片通常缺陷較少，因此比大芯片的產量更好。

　　AMD 的合作伙伴HPE證實，即將推出的 Frontier 超級計算機將使用 AMD 代號為 Trento CPU（最有可能是具有額外緩存或其他增強功能的 Milan 版本）和 Instinct MI200 加速器，成為世界上最快的超級計算機，峰值性能為 1.5 ExaFLOPS。

　　除了AMD和英特爾，另一大GPU廠商英偉達也在摩拳擦掌，很可能緊隨AMD之后推出其首款MCM GPU產品Hopper。

　　據悉，Hopper GPU架構是為數據中心應用專門設計的，與英偉達的Ampere架構產品不同，后者同時服務于 GPGPU（數據中心/工作站）和游戲市場。

　　早期的爆料稱，Hopper由兩個稱為GPM 的GPU 模組構成，每個模組有144 個SM 單元，同時Hopper 由于是專為運算所規劃的架構，相較Ampere 應該會取消用于光線追蹤加速的RT Core ，并強化包括FP64 、 FP16 與Tensor Core 等運算與AI 技術會使用到的單元。

　　據悉，Hopper GPU 將采用臺積電的5nm制程工藝，性能比 Ampere 提高 3 倍。這是一個很大的提升，具體情況如何，還要看今后爆出的更多關于Hopper的信息。

　　有報道稱，Hopper GPU很快就會流片。

　　據悉，推出Hopper GPU之后，英偉達還將推出Ampere Next 和 Ampere Next Next，它們將采用MCM封裝。Ampere Next GPU 預計在 2022 年推出，而 Ampere Next Next 將在 2024 年推出。

　　結語

　　MCM的自身特點使其在高性能計算領域如魚得水，不只是是CPU，如今在GPU領域也得到了拓展，而隨著數據中心、邊緣云、物聯網的發展，以及CPU、GPU、DPU等產品形態的日益增多和復雜，留給MCM的發展空間可能會越來越大。

　　新技術產品和應用的發展給以MCM為代表的芯片封裝、整合技術提供了更多的想象空間。