数据中心处理器的新选择：Chiplet技术的优势解析

生成式人工智能和大模型的驱动下，我们正置身于一个算力领域千载难逢的拐点：一个类似于个人电脑、互联网、移动设备和云诞生的时刻。面对持续以10倍/年增长的大模型参数，一切传统上设计和构建算力基础设施的方式均已不再奏效，异构、Chiplet 及其引发的各种片内互联创新被推向台前。

作为一种已被多次证实有效尚富有生命力的技术，Chiplet 迅速激发了巨头们的斗志，并藉此武器，再次踏入一场数据中心算力形态的战争。

总体而言，在数据中心处理器领域，采用 Chiplet 化具有几大优势：

1、降低设计成本：

随着最新工艺制程的发展，芯片设计成本已增至令人望而却步的地步，根据 IBS预估，2nm 芯片从头开发的总成本将达到 7.25 亿美元。使用 Chiplet可以显著减少芯片研发时间和成本：只需对关键模块进行更新，就拥有了一个全新的芯片。从成本方面考虑，在不久的将来，随着制程的不断提升，如果不使用 Chiplet，几乎不可能构建领先的芯片。

2、降低量产成本：

总拥有成本（TCO）是在数据中心将模型投入生产的主要制约因素之一，而芯片的量产成本则是TCO的重要组成部分。当数据中心规模不断扩大，对 TCO 的影响也越大。根据Tirias Research 预测，到 2028 年，一个典型 GenAI 数据中心服务器基础设施+运营成本将超过 760 亿美元。而 Chiplet 允许开发人员为每个模块选择不同工艺，灵活平衡性能与成本，而不必将所有功能都押宝在昂贵而难以获得的尖端制程上。

3、提升性能&集成度：

在摩尔定律和光照尺寸的限制下，Chiplet 已成为继续增强芯片性能经济而可持续的方式，通过2.5D 平铺/ 3D 堆叠芯粒，可以有效扩展芯片性能，提升芯片的复杂度。当然，这也带来了互联的问题，毕竟，如果这些芯粒不能有效的连接在一起，就什么也做不了。

4、加速 TTM 时间：

Chiplet 的另一项关键优势是可以缩短开发芯片的上市时间（TTM）。通过将复杂的功能隐藏在可重复使用的已验证芯粒中，企业可以有效缩短开发定制全新芯片所需的上市时间，并加速下一代产品的开发和创新。

本文将以英特尔和 Google 的代表性产品为例，分析数据中心 GPU 的发展趋势。

Intel - GPU Max

作为GPU 领域的新入局者，英特尔可谓野心勃勃，入场即从集成 GPU、中端独立 GPU 迅速杀至数据中心和超算市场。其首款面向服务中心的 GPU MAX（前代号 Ponte Vecchio）正是这样一款野心之作，基于 Intel Xe HPC 微架构，将超过1000亿个晶体管集成在47个芯粒里，堪称算力怪兽。

量产成本下降

作为英特尔的首款服务中心 GPU，GPU MAX 的物理设计堪称 Chiplet 集大成者。通过将功能模块分离为 47 个芯粒，为每个不同芯粒单元分配多达 5 种不同制程。其中，Base tile 和 HBM2e SerDes 使用 Intel 7 工艺，计算单元采用 TSMC N5 工艺，从而实现成本的控制。

性能提升

GPU MAX 系列通过多达 47 颗芯粒的堆叠，提供多达 128 个 Xe-HPC 核心，408 MB 二级缓存和 64MB 一级缓存，以提高吞吐量和性能。英特尔表示，使用 Max 系列 GPU 的大型二级服务器，其 AI 工作负载的性能获得了 2 倍提升。

阿贡国家实验室是首批GPU Max系列采用者。其团队计划部署 60,000 个 Max 系列 GPU，平均分配给 10,000 个服务器刀片。每个刀片还依靠两个 Intel Xeon CPU Max 系列处理器来最大限度地提高 Aurora 的架构，以应对一些有史以来最重要的科学工作负载。一旦 ANL 在其旗舰 Aurora 系统上部署全套 Max 系列 GPU 和 CPU，双精度计算性能将超过 2 exaFLOPS。

47 颗芯粒，如何高速连在一起？

大型 GPU 上的 die 间传输数据并不容易，尤其对GPU MAX 这样极度复杂的大型芯片来说，必须依靠高效的互连设计。

High level X eHPC Stack Component Overview, source: Intel

Base Tile（die）：英特尔在 Max GPU 系列中引入了 Base Tile 的概念。Base Tile 是一种基础芯粒，与 interposer 的功能类似，用于承载计算核心和高速 I/O，但功能更加丰富。Max GPU 的Base Tile 采用了英特尔 7nm 制程，将高速 I/O 的 SerDes 与计算核心解耦后重新打包在同一制程内，以降低量产成本。

此外，Base die 中还集成了一个容量为 144 MB的 RAMBO，以及 L3 Cache 的交换网络（Switch Fabric），通过 Switch Fabric 将144MB Cache 与 8 颗计算芯粒、4 颗 RAMBO 芯粒的 60MB Cache 连接在一起，最后通过3D Foveros 技术将计算芯粒堆叠在 Base die 之上，从而使得 GPU MAX 的互联效率大为增强，让芯粒间以最短的垂直路径互连为一个整体，从而极大的提升算力密度和更高的内存带宽。

Co-EMIB：EMIB + Foveros

为保障互联速度，每个 GPU MAX 被整合为两组镜像的 Chiplet 堆栈，堆栈间由 Co-EMIB 连接。Co-EMIB 是英特尔 2.5D EMIB 技术与3D 技术的 Foveros 结合产物，在堆栈间形成高密度互连的桥梁，互联密度可达 Base die 的两倍。

其中，EMIB 负责芯粒与芯粒之间的 2.5D 互连，而 Foveros 则在两个 3D 堆叠的芯粒堆栈间建立了密集的 die-to-die 垂直连接阵列，信号和电源通过硅通孔进入堆栈，较宽的垂直互连则直接穿透芯粒，形成距离更短的互联。

Chiplet 为英特尔这个GPU 领域迟到的野心家按下了加速键，通过 Base die 和 2.5D、3D 互联技术的整合，为这款超级芯片注入惊人的性能和快速上市、快速迭代的基因，以实现与AI 芯片霸主的正面竞争。

在今天，通过2.5D /3D Chiplet堆叠的形式扩展处理器的算力，已成为数据中心的主流路径。其中，Base die 作为3D Chiplet 的实现基础，已广泛应用于全球范围内的数据中心。随着 AIGC 应用的扩大化，通用化的 Base die 将迎来巨大的市场空间。国内市场通用 Base die 代表企业如奇异摩尔，旗下Base die 将于年内流片。

Google TPU v5e

2023年8月，Goole Cloud 在 Next23 上，发布了其最新一代云端 AI 芯片 TPU v5e，TPUv5e是 TPUv4i (TPUv4 lite) 的后继产品，一款专注于中大规模模型的训练和推理性能的精简版芯片。相比尚未发布的 TPUv5，TPU v5e 更加经济、高效，具有更小的尺寸和更低的功耗、内存带宽、FLOPS，功耗仅为 H100 的 20%。

降低成本

TPU 是一种特殊计算单元，可理解为针对张量计算的专用 GPU。与通用 GPU 相比，TPU 在特定任务方面的速度和能效方面表现更好。基于 Chiplet 架构的灵活性优势，Google 得以在 TPUv5 推出前，精简、优化架构，迅速推出这样一款极具成本效益的 TPU。

在面向 （运行 TPU v4 的价格约为 3.2 美元/小时，TPU v5e 仅需 1.2 美元/小时），成本的大幅降低使组织能够以相同成本训练和部署更大、更复杂的 AI 模型。这对于许多第三方使用者来说，无疑具有巨大的成本优势。

Throughput per dollar of Google’s Cloud TPU v5e compared to Cloud TPU v4. Souce：Google Cloud

根据版本大小不同，Google TPU会配备1个或2个 Tensor Core。相比未发布的全尺寸 TPU v5 芯片，TPUv5e 只保留了一个 Tensor Core和一半的 HBM 堆栈，大幅缩减了成本。不同于英伟达不惜牺牲功耗追求极致性能的策略，Google TPU 更好的利用了 Chiplet 的灵活性优势，快速推出多款面向不同客户需求的产品，并可以根据推出的精简版产品反馈灵活调整全尺寸芯片策略。

TPU v5e：更小而更强

尽管通过芯片减半降低实现了成本优化，TPU v5e 也实现了性能的大幅提升。Google 表示，TPU v5e 在各种人工智能负载实现高性能和高成本效益的推理，其性能较前代产品提高了 2-4 倍，成本效益提高超 2 倍。每个TPU v5e 芯片每秒可提供高达 393 万亿次int8 运算（TOPS），显著优于全尺寸的前代产品 TPU v4 的 275 petaflops，可对最复杂的模型进行快速预测。

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

Tensor Core 同样基于Chiplet 架构，每个Tensor Core由 4 个矩阵乘法单元 (MXU)、1 个向量单元和 1 个标量单元组成。通过对核心计算单元的优化，每个 MXU 每个周期可执行 16,000 次乘法累加运算。其中，6 个芯粒单元通过2.5D interposer 进行单元间的高速互联，并与 HBM2E 内存进行通信，总内存带宽为 819.2GB/s。

TPUv4 & TPUv5e 架构对比

左为TPUv4，右为TPUv5e，Source:Google‍‍‍‍‍‍‍

2.5D interposer：

2.5D interposer即硅中介层，通常位于芯片底层 Substrate 和顶层芯粒间，通过硅通孔（Silicon Through Via, TSV）和 ubump 实现芯粒间的互连。2.5D Interposer 采用硅工艺，具有更小的线宽线距，ubump 尺寸更小，二者相结合，可以共同提升 IO 密度并降低传输延迟与功耗。

作为 Chiplet 架构的物理实现基础，2.5D interposer 已成为数据中心产品的普遍解决方案。可以让客户用更短的时间、更低的成本实现性能扩展。据 Yole 报告显示，2020年到 2025 年期间，2.5D interposer 的年复合增长率达 44%。

巨大的市场空间和加剧了竞争，2.5D interposer 的产能逐渐成为数据中心芯片供应的瓶颈，国内也应势产生了一系列2.5D interposer的厂商，奇异摩尔作为其中的代表，核心产品涵盖2.5D interposer、2.5D IO Die、3D Base Die等高性能互联芯粒、网络加速芯粒、及全系列Die2Die IP，及相关Chiplet系统解决方案，是目前国内少有的专注于Chiplet 互联赛道的企业。

高速发展的 AIGC 为世界带来了巨大的机遇与变革。同时，它也对我们所处的世界提出了更高的要求。在未来数年里，数据中心将会比现在强大上百倍，其训练和推理需要更强大的计算处理能力，更灵活、高效的架构，更低成本，更快的市场反应速度，这使得 Chiplet 及其互联技术在以 GPU 为代表的数据中心处理器架构中将成为必然。Chiplet 的统治地位才刚刚开始。