从Apple M1 Ultra 开始，芯片产业开始天翻地覆

出于实际目的，M1 Ultra就像一块巨大的硅片，可以做到这一切。这个Apple 迄今为止最强大的芯片将 1140 亿个晶体管封装在 100 多个专用于逻辑、图形和人工智能的处理核心中，所有这些核心都连接到 128 GB 的共享内存。但 M1 Ultra 实际上是一个“怪物”设计，它由两个相同的 M1 Max 芯片组成，使用硅接口（silicon interface ）作为桥接。这种巧妙的设计看起来好像连体芯片实际上只是一个更大的整体。

由于缩小晶体管尺寸变得越来越困难，并且使单个芯片变得更大变得不切实际，芯片制造商开始将组件缝合在一起以提高处理能力。类似于乐高的方法是计算机行业旨在取得进步的关键方式。苹果的 M1 Ultra 表明新技术可以在性能上产生巨大的飞跃。

“这项技术的出现恰逢其时，”Apple 硬件技术副总裁 Tim Millet 说。“从某种意义上说，这与摩尔定律有关，”他补充说，参考以英特尔联合创始人戈登摩尔命名的几十年前的公理，即芯片性能（以芯片上的晶体管数量衡量）每 18 个月翻一番.

但几十年来推动计算机行业和经济进步的摩尔定律不再适用，这已不是什么秘密。一些极其复杂且成本高昂的工程技巧有望帮助进一步缩小蚀刻到硅芯片中的组件的尺寸，但工程师们正在达到这些组件的物理极限，这些组件具有十亿分之一米的特性，实际上可以做到。虽然摩尔定律已经过时，然而计算机芯片也比以往任何时候都更加重要且无处不在。尖端芯片对人工智能和 5G 等技术至关重要，而由大流行引发的供应链中断凸显了半导体现在对汽车制造等行业的重要性。

随着每一代新一代芯片的进步越来越小，越来越多的公司转向设计自己的芯片以提高性能。自 2010 年以来，Apple 一直在其 iPhone 和 iPad 上使用定制芯片——然后，在 2020 年，它宣布将为 Mac和 MacBook设计自己的芯片，从而摆脱英特尔的产品。苹果利用它在智能手机芯片上所做的工作来开发其桌面芯片，这些芯片使用相同的架构，并获得了英国公司 ARM 的许可。通过制作自己的芯片，并将通常由单独的芯片执行的功能集成到一个片上系统中，Apple 可以控制整个产品，并且可以定制软件和硬件一起。这种控制水平是关键。

“我意识到整个 [芯片制造] 世界是天翻地覆的，”2005 年从美国网络公司博科 (Brocade) 加入苹果的芯片行业资深人士Millet说。相比之下，英特尔设计和制造芯片然后卖给计算机制造商，小米解释说，苹果可以同时为产品设计芯片，同时进行软件、硬件和工业设计。

去年 10 月，当苹果公司宣布其之前的台式机芯片M1 Max时，一些目光敏锐的旁观者注意到了一些奇怪的事情：沿着一个边缘的长长的硅片似乎什么也没做。这种神秘的硅片最终将成为高速互连技术的一部分，具有密集的精细连接阵列，Apple 称之为 UltraFusion，它将两个 M1 Max 芯片变成一个 M1 Ultra。

当 Apple 开始为高级用户开发一款新的台式电脑时，该产品将成为Mac Studio的产品，芯片团队知道仅依靠摩尔定律来大幅提升性能是不可能的。但是，台湾芯片制造商台积电已经开始完善使用高速互连连接两块硅片的技术，这种想法已经存在多年，但以前主要用于组合执行不同工作的内核. 苹果定制了台积电技术，让 在Max芯片上看到的神秘界面可以将两个高度复杂的芯片拼接在一起。

“UltraFusion 为我们提供了所需的工具，让我们能够用尽可能多的计算来填充这个盒子，”Millet 谈到 Mac Studio 时说。M1 Ultra 的基准测试表明它可以与市场上最快的高端计算机芯片和图形处理器竞争。Millet表示，随着开发人员移植必要的软件库，该芯片的一些功能，例如其运行 AI 应用程序的潜力，将随着时间的推移变得明显。

M1 Ultra 是更广泛的行业向更模块化芯片转变的一部分。英特尔正在开发一种技术，该技术允许将不同的硅片（称为“chiplet”）相互堆叠，以创建不需要从头开始重新设计的定制设计。该公司的首席执行官 Pat Gelsinger已将这种“先进封装”确定为宏伟转型计划的支柱之一。英特尔的竞争对手 AMD 已经在使用台积电的 3D 堆叠技术来构建一些服务器和高端 PC 芯片。本月，英特尔、AMD、三星、台积电和 ARM 宣布成立一个联盟，共同制定chiplet设计的新标准。在更激进的方法中，M1 Ultra 使用chiplet概念将整个芯片连接在一起。

Apple 的新芯片旨在提高整体处理能力。“根据你如何定义摩尔定律，这种方法允许你创建的系统使用的晶体管数量多于一个芯片上的晶体管数量，”麻省理工学院研究新芯片组件的教授Jesús del Alamo说。他补充说，处于芯片制造前沿的台积电正在寻找新的方法来保持性能提升，这一点意义重大。“很明显，芯片行业认为未来的进步不仅来自摩尔定律，还来自创建可以由不同技术制造但尚未结合在一起的系统，”他说。

“其他人也在做类似的事情，我们当然看到了更多此类小芯片设计的趋势，”行业通讯微处理器报告的作者Linley Gwennap补充道。

模块化芯片制造的兴起可能有助于提高未来设备的性能，但它也可能改变芯片制造的经济性。如果没有摩尔定律，具有两倍晶体管的芯片成本可能会翻倍。“有了chiplet，我仍然可以以 300 美元的价格卖给你基本芯片，600 美元的双芯片和 1,200 美元的超级双芯片，”密歇根大学的电气工程师托德奥斯汀说。从本质上讲，不是芯片每年都以相同的价格变得更快，而是小芯片可能意味着额外的性能需要溢价。奥斯汀补充说，这种仍然相对较新的方法也将增加设计芯片的新复杂性，这也可能增加成本。

由于对小芯片方法的创造性采用，M1 Ultra 展示了一些市场上最强大的芯片中所见的那种马力。它还使 Apple 能够在 Mac 上取得显着优势——就像它多年来在 iPhone 上所做的那样。

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