蘋果M1 Ultra雙芯片拼接背后的“膠水”技術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/周凱揚(yáng))在前幾日剛結(jié)束的蘋果春季發(fā)布會(huì)中，蘋果發(fā)布了其Apple Silicon陣營(yíng)下迄今為止性能最強(qiáng)大的一款芯片，M1 Ultra。這顆芯片上，蘋果用到了神奇的“膠水”技術(shù)，將兩顆M1 Max芯片拼在一起，組成了其有史以來(lái)規(guī)模最大的芯片，單個(gè)芯片內(nèi)含1140億個(gè)晶體管。

又是5nm，還是M1

由于芯片的邏輯架構(gòu)其實(shí)并沒(méi)有改變，仍是基于A14的架構(gòu)，所以這顆怪獸芯片依然以M1作為前綴，且依然基于臺(tái)積電的5nm工藝制造。在CPU和GPU上，M1 Ultra憑借20核CPU和64核GPU，基本實(shí)現(xiàn)了剛好兩倍的性能。而M1 Ultra的統(tǒng)一內(nèi)存規(guī)模也隨之翻了兩倍，將內(nèi)存帶寬提升至了800GB/s。

為何蘋果會(huì)選擇繼續(xù)使用5nm，而不等著用臺(tái)積電的3nm呢?一個(gè)說(shuō)法自然是滿天飛的“臺(tái)積電3nm延期”傳聞。據(jù)傳3nm雖然可以做到今年下半年量產(chǎn)，但良率爬坡上遇到了較大阻力。

即便這個(gè)傳聞并不真實(shí)，蘋果也不會(huì)選擇在電腦芯片上首發(fā)3nm，就好比同在2020年面世的A14和M1芯片一樣，后者晚了一個(gè)月發(fā)售。這是蘋果首先保證iPhone產(chǎn)量的考量，在iPhone14面世之前，我們應(yīng)該是見(jiàn)不到M2芯片了。屆時(shí)蘋果在M2上用的是A15的架構(gòu)，還是A16的架構(gòu)，那就不好說(shuō)了，如果是前者的話，那蘋果說(shuō)不定還得占著一部分5nm產(chǎn)能。

臺(tái)積電支持下的“膠水”技術(shù)

通俗說(shuō)法的“膠水”技術(shù)也就是我們常說(shuō)的MCM(多芯片模塊)封裝技術(shù)，這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式有多種，從M1 Ultra的芯片圖來(lái)看，無(wú)疑用到的就是臺(tái)積電的CoWoS-S 2.5D封裝技術(shù)，利用硅中介層完成兩個(gè)芯片互聯(lián)。而且從其統(tǒng)一內(nèi)存的排布來(lái)看，臺(tái)積電的CoWoS-S已經(jīng)可以完美集成8個(gè)HBM了，這個(gè)速度確實(shí)要超過(guò)英特爾和三星。

這一2.5D封裝技術(shù)用于不少網(wǎng)絡(luò)IC以及大型AI芯片中，為了就是實(shí)現(xiàn)更大的芯片規(guī)模，進(jìn)一步提高帶寬等性能。據(jù)了解，M1 Ultra在CoWoS-S封裝上用到的ABF基板，依然與M1一樣，來(lái)自欣興電子。

蘋果的“膠水”技術(shù)能一直延續(xù)下去嗎?

在蘋果發(fā)布Mac Studio并公布具體參數(shù)后，不少用戶發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)，那就是M1 Max版本的Mac Studio重達(dá)2.7千克，而搭載M1 Ultra的Mac Studio重達(dá)3.6千克。這難道是因?yàn)镸1 Ultra的電源功率更高嗎，并非如此，兩者充電器通用且用到的都是同樣的370W電源。那么這多出來(lái)的重量，究竟是什么加上去的呢?

答案就是散熱，在蘋果的官方回復(fù)中，蘋果指出多出的重量是因?yàn)镸1 Ultra配備了一個(gè)更大的銅散熱模組，而M1 Max用的是鋁散熱器。本在同樣的體積下，銅就比鋁要重三倍以上，但銅的導(dǎo)熱性能要優(yōu)于鋁，這也就是為何不少電子產(chǎn)品中都選擇使用銅管或銅片散熱的原因

眾所周知，蘋果的Macbook Pro產(chǎn)品系列用的一向是風(fēng)扇+“夢(mèng)幻單熱管”，如此一來(lái)散熱常常被人所詬病，尤其是在以前英特爾芯片的機(jī)型上，也就是到了近兩年換為ARM架構(gòu)的芯片后才解決了散熱差的遺留問(wèn)題。

因此即便蘋果可以繼續(xù)通過(guò)“膠水”技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)大芯片規(guī)模來(lái)穩(wěn)步提升性能，這也不是一個(gè)可延續(xù)的方式。Mac Studio這種已經(jīng)在往ITX靠的機(jī)器設(shè)備還好，而對(duì)Macbook Pro這樣的便攜筆記本設(shè)備來(lái)說(shuō)，多出來(lái)的近1千克重量感知太強(qiáng)了。此外，蘋果顯然不會(huì)在筆記本的散熱結(jié)構(gòu)上做出大改，否則不僅是散熱模組，連機(jī)身模具也得重新設(shè)計(jì)。

蘋果從來(lái)都是一套方案用幾年，而剛改過(guò)外形的Macbook Pro自然不可能一年內(nèi)再換一套設(shè)計(jì)。這也就是為何蘋果為M1 Max預(yù)留了互聯(lián)部分，卻沒(méi)有在Macbook Pro中用到M1 Ultra的原因。不得不令人感嘆，蘋果在精打細(xì)算上確實(shí)在行。

Apple Silicon的下一步是什么?

其實(shí)M1 Ultra用到的“膠水”技術(shù)既不是蘋果的殺手锏，也遠(yuǎn)非臺(tái)積電的全部實(shí)力。MCM的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)2D封裝技術(shù)和2.5D封裝技術(shù)，也可以通過(guò)更先進(jìn)的3D封裝技術(shù)完成，而這兩家在設(shè)計(jì)和制造3D封裝的芯片早有積累。

在蘋果去年4月公布的一份專利中，蘋果就提到了一種重構(gòu)3DIC架構(gòu)，讓每個(gè)封裝層上的單個(gè)和多顆裸片既可以作為功能芯片，也可以作為相鄰封裝層上多個(gè)裸片之間的通信橋梁。從上面這張專利示意圖中可以看出，這是一種高度集成的封裝方式。而具體如何實(shí)現(xiàn)這種芯片的制造，還得看臺(tái)積電。

臺(tái)積電的3DFabric可以說(shuō)是目前業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的3D封裝技術(shù)之一，充分結(jié)合了他們的InFO和CoWoS 2.5D封裝技術(shù)(后端3D技術(shù))，以及SoIC芯片3D堆疊方案(前端3D技術(shù))。在SoIC芯片3D堆疊方案中，又分為CoW(Chip On Wafer)和WoW(Wafer On Wafer)，后者屬于直接晶圓堆疊，也是上述蘋果專利中選擇的堆疊方案。

根據(jù)臺(tái)積電的說(shuō)法，WoW可以做到更小的間距和硅通孔，從而將寄生效應(yīng)最小化，做到更好的性能、更低的功耗和延遲以及最小的占用面積。而Graphcore前不久發(fā)布的IPU也是首個(gè)使用臺(tái)積電WoW方案的處理器，用的也是臺(tái)積電的7nm工藝。至于為什么用7nm，除了成本和性能的考量外，還涉及到WoW的兩個(gè)缺點(diǎn)，一是裸片橫向拼接的大小必須一致，這樣才能完美堆疊;二是堆疊的裸片必須都是合格裸片(KGD)，所以比較適合成熟工藝節(jié)點(diǎn)，這樣良率才能有保障。

這對(duì)于蘋果也是一樣，從成本和芯片PPA的雙向角度來(lái)考慮的話，2.5D封裝已經(jīng)可以滿足蘋果的設(shè)計(jì)目標(biāo)了，WoW這樣的技術(shù)肯定要等成熟之后才會(huì)使用。在M1系列續(xù)航無(wú)人可及，而性能又名列前茅的現(xiàn)狀下，蘋果倒也沒(méi)必要暴露全部家底。不過(guò)讓人好奇的是，蘋果在手機(jī)芯片上已經(jīng)做到了領(lǐng)先，M1 Ultra雖然性能出眾，還不至于在桌面處理器中傲視群雄。但若是在下一代Mac Pro上，蘋果會(huì)不會(huì)再將規(guī)模翻上一番呢?

原文標(biāo)題：M1 Ultra雙芯片如何拼接?“膠水”技術(shù)揭秘

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審核編輯：湯梓紅