隨着GPU在數據中心當中的應用越來越普及，原本用於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，採用了MCM封裝。該GPU開始出貨，標誌着AMD成爲第一家向客戶交付採用MCM技術的GPU公司，領先於競爭對手英特爾和英偉達（NVIDIA）。
何爲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（如用於GPU的SLI和CrossFire）相比，MCM可提供更高的性能，並減小組件的尺寸。通過MCM封裝系統，器件或模塊可以克服重量和尺寸限制，並提供超過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；降低了複雜性並簡化了設計。
通常，MCM模塊有3種類型，具體取決於基板技術：MCM層壓 ( MCM-L )、沉積 ( MCM-D ) 和陶瓷 ( MCM-C )。
以前，MCM主要用於CPU，最近逐步進入GPU領域。
MCM用於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於，前者是一個單獨的封裝，後者是一個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。由於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着工程師。
MCM GPU就是爲了解決以上問題而出現的。不過，MCM GPU並不完美，它同樣面對着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，因爲兩個或更多GPU，無論多麼緊密地連接在一起，要想在一起協同工作，並不是一件容易的事。MCM作爲能夠用於並行處理的組件，其GPU之間使用不同的內存訪問，設計的複雜性會成倍增加。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，很少有遊戲玩家實際運行多GPU設置，因爲其回報很少，因此沒有人願意做這麼多的軟件工作。不過，如果應用於數據中心和雲計算，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，由於具有超級計算和數據中心的並行化性質，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，今後，隨着技術的不斷成熟，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，主要用於該公司的POWER架構CPU。而將MCM發揚光大的是英特爾，自然也是用於CPU。2013年，該公司的22nm製程處理器Haswell就用到了該技術。2014年，14nm製程的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，爲了順應技術發展和應用需求，該公司開始將MCM應用於其最新的GPU產品，據悉是基於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，該公司把遊戲卡與專業卡的GPU架構分家了，遊戲卡的架構是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，不久前發佈的Q2財報則確認CDNA 2 GPU已經向客戶發貨了。CDNA 2基於CDNA架構，是專爲數據中心設計的。
近日，AMD更新了CDNA 2的說明，其GPU核心代號是Aldebaran，它會成爲AMD第一款採用MCM多芯片封裝的產品，也就是Instinct MI200。Aldebaran是AMD的第一款MCM GPU，但它是爲數據中心準備的。在PC方面，2022年引入下一代RDNA 3架構後，基於MCM的消費級Radeon GPU也會出現。
據悉，採用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。
製造多芯片計算 GPU 類似於製造多核 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，因爲小芯片通常缺陷較少，因此比大芯片的產量更好。
AMD 的合作夥伴HPE證實，即將推出的 Frontier 超級計算機將使用 AMD 代號爲 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，成爲世界上最快的超級計算機，峯值性能爲 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之後推出其首款MCM GPU產品Hopper。
據悉，Hopper GPU架構是爲數據中心應用專門設計的，與英偉達的Ampere架構產品不同，後者同時服務於 GPGPU（數據中心/工作站）和遊戲市場。
早期的爆料稱，Hopper由兩個稱爲GPM 的GPU 模組構成，每個模組有144 個SM 單元，同時Hopper 由於是專爲運算所規劃的架構，相較Ampere 應該會取消用於光線追蹤加速的RT Core ，並強化包括FP64 、 FP16 與Tensor Core 等運算與AI 技術會使用到的單元。
據悉，Hopper GPU 將採用臺積電的5nm製程工藝，性能比 Ampere 提高 3 倍。這是一個很大的提升，具體情況如何，還要看今後爆出的更多關於Hopper的信息。
有報道稱，Hopper GPU很快就會流片。
據悉，推出Hopper GPU之後，英偉達還將推出Ampere Next 和 Ampere Next Next，它們將採用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，而隨着數據中心、邊緣雲、物聯網的發展，以及CPU、GPU、DPU等產品形態的日益增多和複雜，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爲代表的芯片封裝、整合技術提供了更多的想象空間。
