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生成式人工智能和大模型的驅(qū)動下，我們正置身于一個算力領(lǐng)域千載難逢的拐點(diǎn)：一個類似于個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備和云誕生的時刻。面對持續(xù)以10倍/年增長的大模型參數(shù)，一切傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)和構(gòu)建算力基礎(chǔ)設(shè)施的方式均已不再奏效，異構(gòu)、Chiplet 及其引發(fā)的各種片內(nèi)互聯(lián)創(chuàng)新被推向臺前。
作為一種已被多次證實(shí)有效尚富有生命力的技術(shù)，Chiplet 迅速激發(fā)了巨頭們的斗志，并藉此武器，再次踏入一場數(shù)據(jù)中心算力形態(tài)的戰(zhàn)爭。
總體而言，在數(shù)據(jù)中心處理器領(lǐng)域，采用 Chiplet 化具有幾大優(yōu)勢：
1、降低設(shè)計(jì)成本：
隨著最新工藝制程的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)成本已增至令人望而卻步的地步，根據(jù) IBS?預(yù)估，2nm 芯片從頭開發(fā)的總成本將達(dá)到 7.25 億美元。使用 Chiplet?可以顯著減少芯片研發(fā)時間和成本：只需對關(guān)鍵模塊進(jìn)行更新，就擁有了一個全新的芯片。從成本方面考慮，在不久的將來，隨著制程的不斷提升，如果不使用 Chiplet，幾乎不可能構(gòu)建領(lǐng)先的芯片。
2、降低量產(chǎn)成本：
總擁有成本（TCO）是在數(shù)據(jù)中心將模型投入生產(chǎn)的主要制約因素之一，而芯片的量產(chǎn)成本則是?TCO?的重要組成部分。當(dāng)數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，對 TCO 的影響也越大。根據(jù)?Tirias Research 預(yù)測，到 2028 年，一個典型 GenAI 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施+運(yùn)營成本將超過 760 億美元。而 Chiplet 允許開發(fā)人員為每個模塊選擇不同工藝，靈活平衡性能與成本，而不必將所有功能都押寶在昂貴而難以獲得的尖端制程上。
3、提升性能&集成度：
在摩爾定律和光照尺寸的限制下，Chiplet 已成為繼續(xù)增強(qiáng)芯片性能經(jīng)濟(jì)而可持續(xù)的方式，通過?2.5D 平鋪/ 3D 堆疊芯粒，可以有效擴(kuò)展芯片性能，提升芯片的復(fù)雜度。當(dāng)然，這也帶來了互聯(lián)的問題，畢竟，如果這些芯粒不能有效的連接在一起，就什么也做不了。
4、加速 TTM 時間：
Chiplet 的另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢是可以縮短開發(fā)芯片的上市時間（TTM）。通過將復(fù)雜的功能隱藏在可重復(fù)使用的已驗(yàn)證芯粒中，企業(yè)可以有效縮短開發(fā)定制全新芯片所需的上市時間，并加速下一代產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新。
本文將以英特爾和 Google 的代表性產(chǎn)品為例，分析數(shù)據(jù)中心 GPU 的發(fā)展趨勢。
Intel - GPU Max
作為GPU 領(lǐng)域的新入局者，英特爾可謂野心勃勃，入場即從集成 GPU、中端獨(dú)立 GPU 迅速殺至數(shù)據(jù)中心和超算市場。其首款面向服務(wù)中心的 GPU MAX（前代號 Ponte Vecchio）正是這樣一款野心之作，基于 Intel Xe HPC 微架構(gòu)，將超過1000億個晶體管集成在47個芯粒里，堪稱算力怪獸。
量產(chǎn)成本下降
作為英特爾的首款服務(wù)中心 GPU，GPU MAX 的物理設(shè)計(jì)堪稱 Chiplet 集大成者。通過將功能模塊分離為 47 個芯粒，為每個不同芯粒單元分配多達(dá) 5 種不同制程。其中，Base tile 和 HBM2e SerDes 使用 Intel 7 工藝，計(jì)算單元采用 TSMC N5 工藝，從而實(shí)現(xiàn)成本的控制。
性能提升
GPU MAX 系列通過多達(dá) 47 顆芯粒的堆疊，提供多達(dá) 128 個 Xe-HPC 核心，408 MB 二級緩存和 64MB 一級緩存，以提高吞吐量和性能。英特爾表示，使用 Max 系列 GPU 的大型二級服務(wù)器，其 AI 工作負(fù)載的性能獲得了 2 倍提升。
阿貢國家實(shí)驗(yàn)室是首批GPU Max系列采用者。其團(tuán)隊(duì)計(jì)劃部署 60,000 個 Max 系列 GPU，平均分配給 10,000 個服務(wù)器刀片。每個刀片還依靠兩個 Intel Xeon CPU Max 系列處理器來最大限度地提高 Aurora 的架構(gòu)，以應(yīng)對一些有史以來最重要的科學(xué)工作負(fù)載。一旦 ANL 在其旗艦 Aurora 系統(tǒng)上部署全套 Max 系列 GPU 和 CPU，雙精度計(jì)算性能將超過 2 exaFLOPS。
47 顆芯粒，如何高速連在一起？
大型 GPU 上的 die 間傳輸數(shù)據(jù)并不容易，尤其對?GPU MAX 這樣極度復(fù)雜的大型芯片來說，必須依靠高效的互連設(shè)計(jì)。
High level X e?HPC Stack Component Overview, source: Intel
Base Tile（die）：英特爾在 Max GPU 系列中引入了 Base Tile 的概念。Base Tile 是一種基礎(chǔ)芯粒，與 interposer 的功能類似，用于承載計(jì)算核心和高速 I/O，但功能更加豐富。Max GPU 的?Base Tile 采用了英特爾 7nm 制程，將高速 I/O 的 SerDes 與計(jì)算核心解耦后重新打包在同一制程內(nèi)，以降低量產(chǎn)成本。
此外，Base die 中還集成了一個容量為 144 MB的 RAMBO，以及 L3 Cache 的交換網(wǎng)絡(luò)（Switch Fabric），通過 Switch Fabric 將144MB Cache 與 8 顆計(jì)算芯粒、4 顆 RAMBO 芯粒的 60MB Cache 連接在一起，最后通過3D Foveros 技術(shù)將計(jì)算芯粒堆疊在 Base die 之上，從而使得 GPU MAX 的互聯(lián)效率大為增強(qiáng)，讓芯粒間以最短的垂直路徑互連為一個整體，從而極大的提升算力密度和更高的內(nèi)存帶寬。
Co-EMIB：EMIB + Foveros
為保障互聯(lián)速度，每個 GPU MAX 被整合為兩組鏡像的 Chiplet 堆棧，堆棧間由 Co-EMIB 連接。Co-EMIB 是英特爾 2.5D EMIB 技術(shù)與3D 技術(shù)的 Foveros 結(jié)合產(chǎn)物，在堆棧間形成高密度互連的橋梁，互聯(lián)密度可達(dá) Base die 的兩倍。
其中，EMIB 負(fù)責(zé)芯粒與芯粒之間的 2.5D 互連，而 Foveros 則在兩個 3D 堆疊的芯粒堆棧間建立了密集的 die-to-die 垂直連接陣列，信號和電源通過硅通孔進(jìn)入堆棧，較寬的垂直互連則直接穿透芯粒，形成距離更短的互聯(lián)。
Chiplet 為英特爾這個?GPU 領(lǐng)域遲到的野心家按下了加速鍵，通過 Base die 和 2.5D、3D 互聯(lián)技術(shù)的整合，為這款超級芯片注入驚人的性能和快速上市、快速迭代的基因，以實(shí)現(xiàn)與?AI 芯片霸主的正面競爭。
在今天，通過2.5D /?3D Chiplet?堆疊的形式擴(kuò)展處理器的算力，已成為數(shù)據(jù)中心的主流路徑。其中，Base die 作為3D Chiplet 的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，已廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心。隨著 AIGC 應(yīng)用的擴(kuò)大化，通用化的 Base die 將迎來巨大的市場空間。國內(nèi)市場通用 Base die 代表企業(yè)如奇異摩爾，旗下?Base die 將于年內(nèi)流片。
Google TPU v5e
2023年8月，Goole Cloud 在 Next23 上，發(fā)布了其最新一代云端 AI 芯片 TPU v5e，TPUv5e?是 TPUv4i (TPUv4 lite) 的后繼產(chǎn)品，一款專注于中大規(guī)模模型的訓(xùn)練和推理性能的精簡版芯片。相比尚未發(fā)布的 TPUv5，TPU v5e 更加經(jīng)濟(jì)、高效，具有更小的尺寸和更低的功耗、內(nèi)存帶寬、FLOPS，功耗僅為 H100 的 20%。
降低成本
TPU 是一種特殊計(jì)算單元，可理解為針對張量計(jì)算的專用 GPU。與通用 GPU 相比，TPU 在特定任務(wù)方面的速度和能效方面表現(xiàn)更好。基于 Chiplet 架構(gòu)的靈活性優(yōu)勢，Google 得以在 TPUv5 推出前，精簡、優(yōu)化架構(gòu)，迅速推出這樣一款極具成本效益的 TPU。
在面向 <200B 參數(shù)模型AI訓(xùn)練和推理時，TPUv5e 運(yùn)行成本不到 TPU v4 一半（運(yùn)行 TPU v4 的價格約為 3.2 美元/小時，TPU v5e 僅需 1.2 美元/小時），成本的大幅降低使組織能夠以相同成本訓(xùn)練和部署更大、更復(fù)雜的 AI 模型。這對于許多第三方使用者來說，無疑具有巨大的成本優(yōu)勢。?
Throughput per dollar of Google’s Cloud TPU v5e compared to Cloud TPU v4. Souce：Google Cloud
根據(jù)版本大小不同，Google TPU會配備1個或2個 Tensor Core。相比未發(fā)布的全尺寸 TPU v5 芯片，TPUv5e 只保留了一個 Tensor Core和一半的 HBM 堆棧，大幅縮減了成本。不同于英偉達(dá)不惜犧牲功耗追求極致性能的策略，Google TPU 更好的利用了 Chiplet 的靈活性優(yōu)勢，快速推出多款面向不同客戶需求的產(chǎn)品，并可以根據(jù)推出的精簡版產(chǎn)品反饋靈活調(diào)整全尺寸芯片策略。
TPU v5e：更小而更強(qiáng)
盡管通過芯片減半降低實(shí)現(xiàn)了成本優(yōu)化，TPU v5e 也實(shí)現(xiàn)了性能的大幅提升。Google 表示，TPU v5e 在各種人工智能負(fù)載實(shí)現(xiàn)高性能和高成本效益的推理，其性能較前代產(chǎn)品提高了 2-4 倍，成本效益提高超 2 倍。每個TPU v5e 芯片每秒可提供高達(dá) 393 萬億次int8 運(yùn)算（TOPS），顯著優(yōu)于全尺寸的前代產(chǎn)品 TPU v4 的 275 petaflops，可對最復(fù)雜的模型進(jìn)行快速預(yù)測。
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| Key chip specifications | v5e values |
| Peak compute per chip (bf16) | 197 TFLOPs |
| Peak compute per chip (Int8) | 393 TFLOPs |
| HBM2 capacity and bandwidth | 16 GB, 819 GBps |
| Interchip Interconnect BW | 1600 Gbps |
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Tensor Core 同樣基于?Chiplet 架構(gòu)，每個?Tensor Core?由 4 個矩陣乘法單元 ?(MXU)、1 個向量單元和 1 個標(biāo)量單元組成。通過對核心計(jì)算單元的優(yōu)化，每個 MXU 每個周期可執(zhí)行 16,000 次乘法累加運(yùn)算。其中，6 個芯粒單元通過?2.5D interposer 進(jìn)行單元間的高速互聯(lián)，并與 HBM2E 內(nèi)存進(jìn)行通信，總內(nèi)存帶寬為 819.2GB/s。
TPUv4 & TPUv5e 架構(gòu)對比
左為TPUv4，右為TPUv5e，Source:Google??????? ?
2.5D interposer：
2.5D interposer即硅中介層，通常位于芯片底層 Substrate 和頂層芯粒間，通過硅通孔（Silicon Through Via, TSV）和 ubump 實(shí)現(xiàn)芯粒間的互連。2.5D Interposer 采用硅工藝，具有更小的線寬線距，ubump 尺寸更小，二者相結(jié)合，可以共同提升 IO 密度并降低傳輸延遲與功耗。
作為 Chiplet 架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，2.5D interposer 已成為數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品的普遍解決方案。可以讓客戶用更短的時間、更低的成本實(shí)現(xiàn)性能擴(kuò)展。據(jù) Yole 報(bào)告顯示，2020年到 2025 年期間，2.5D interposer 的年復(fù)合增長率達(dá) 44%。
巨大的市場空間和加劇了競爭，2.5D interposer 的產(chǎn)能逐漸成為數(shù)據(jù)中心芯片供應(yīng)的瓶頸，國內(nèi)也應(yīng)勢產(chǎn)生了一系列2.5D interposer的廠商，奇異摩爾作為其中的代表，核心產(chǎn)品涵蓋2.5D interposer、2.5D IO Die、3D Base Die等高性能互聯(lián)芯粒、網(wǎng)絡(luò)加速芯粒、及全系列Die2Die IP，及相關(guān)Chiplet系統(tǒng)解決方案，是目前國內(nèi)少有的專注于Chiplet 互聯(lián)賽道的企業(yè)。
高速發(fā)展的 AIGC 為世界帶來了巨大的機(jī)遇與變革。同時，它也對我們所處的世界提出了更高的要求。在未來數(shù)年里，數(shù)據(jù)中心將會比現(xiàn)在強(qiáng)大上百倍，其訓(xùn)練和推理需要更強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，更靈活、高效的架構(gòu)，更低成本，更快的市場反應(yīng)速度，這使得 Chiplet 及其互聯(lián)技術(shù)在以 GPU 為代表的數(shù)據(jù)中心處理器架構(gòu)中將成為必然。Chiplet 的統(tǒng)治地位才剛剛開始。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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