2019-12-10
【5nm + MCM 技術,性能可提高 45%?!】
NVIDIA 為下下代 Hopper GPU 進行大革新
文: Cherry Kwok / 新聞中心
文章索引: IT要聞 繪圖卡 NVIDIA

去年 8 月 NVIDIA 發佈 Turing 架構的消費級繪圖卡,在相隔了約一年之後,競爭對手 AMD 就發佈了其首款 RDNA 架構新一代 Navi 家族繪圖卡,不過在高階 GPU 市場上 NVIDIA 的地位依然無可動搖,12nm 工藝的 Turing 繪圖卡在性能及能效上還是佔據上風,而根據已知的消息,在 Turing 架構之後 Ampère 架構很大家機會在明年揭曉,而接替 Ampère 的下下代 Hopper 架構亦在較早前曝光,最近有外媒發現了 NVIDIA 已成功在 USPTO 美國專利商標局註冊了 Hopper 商標,更有可能用上 MCM 多晶片模組封裝,可以改善性能縮放比例並降低製造成本。

 

從十年前的 G80 開始,NVIDIA 就會為每一代 GPU 核心使用歷史上對於科學做出卓越貢獻的名人作為代號,從最早的 Tesla 開始,我們經歷了 NVIDIA 毀譽參半的 Fermi 架構,然後是走上“正軌”的 Kepler、Maxwell、Pascal 和 Volta,直到目前的 Turing 架構。

 

Hopper GPU

 

據了解,NVIDIA 下下代 Hopper 架構將延續其建築代號的傳統,Grace Hopper 格雷斯·霍珀是一位傑出的電腦科學家及數學家,從 1943 年到 1986 年還曾在美國海軍服役,晉升為海軍少將。她是開發 UNIVAC I 的團隊的一員,在創建第一個編譯器方面發揮了重要作用,並且是與機器無關的 COBOL 編程語言形成的指導。她的影子籠罩在現代運算領域,而為她命名 GPU 架構將是NVIDIA 的致敬之舉。

Hopper 架構商標的應用將會與之前的 Turing 架構、Maxwell 架構及 Kepler 架構非常相似,Turing 架構目前是高性能繪圖卡的主導地位,同時還通過實時光線追蹤及用於深度學習推理的專用硬件資源的發展而前進,Turing 架構的繼任者 Ampere 預計在 2020 年推出、用上 7nm 製程,而 Hopper 可能要等到 2022 年,並有機會升級 6nm 甚至 5nm 工藝。

 

Hopper GPU

 

Hopper GPU 不僅僅是改個名字,而是會引入 MCM 多晶片模組裝模式,為了克服單晶片GPU 的理論上限(晶體管難以無限縮小),MCM 架構應運而生,MCM 能夠將工作分解為不那麼複雜的小型 GPU 模組(GPM),更易於製造和提升產能,減少浪費及降低製造成本。

 

早在 2017 年舉行的「GTC 2017」大會上,NVIDIA CEO 黃仁勳曾說過:“目前製造高性能 GPU 有一個很嚴重的限制 — 「晶片尺寸的限制」,因為目前現有技術的光刻機受限於光刻模板、光刻光源,幾乎不可能製造出更大的 GPU 核心”。即使 NVIDIA 的技術如何進步,核心尺寸不能無止境變大已經成為 NVIDIA 繼續提升 GPU 性能的瓶頸。

 

Hopper GPU

MCM-GPU

 

 

MCM 多晶片模組封裝 (Multi-Chip-Module Package ) 開始續步應用在 CPU 及 GPU 領域上,與 NAND Flash 的做法有點類似,容量不夠就將 Layer 堆疊起來,除了在製造方式簡單且具成本優勢之外,還可以提高產品的性能,據說將現實可製造 GPU 的性能提升了 45.5% ,在流處理器和繪圖記憶體頻寬相同的情況下,其性能較多 GPU 方案快了 27%。

 

使用 Silicon Edge 工具進行一些粗略比較,取一個尺寸為 484mm²(例如:Vega 64)的模組,相當於一個 22mm x 22mm,將該單片式晶片分成 4 x 11mm x 11mm,在相同的淨表面積 484mm² 可以得到更多,並且還可以提高良率。總共提升多少?粗略去計算,一個 300mm 的晶片應該能夠生產 114 個整體式晶片(22mm x 22mm)或 491 個較小的晶片(11mm x 11mm)。由於我們需要 4 個較小的模具等於 1 個整體零件,因此最終得到 122484mm² MCM 模組,yield 的增加率為 7.6%。

 

Hopper GPU

▲將中型 484mm² GPU 轉換為 MCM 設計,可實現多 7.6% 的 yield 增加,而浪費卻少得多。

 

另外,NVIDIA 在 12 月 4 日在 USPTO 美國專利商標局已經正式獲得了 Hopper 商標申請,這意味著傳聞的 Hopper GPU 至少有了幾分可信度。

 

Hopper GPU

Hopper GPU

 

考慮到現實,現在還為太早去確認 Hopper GPU 架構的具體細節,不過若真的引入 MCM 封裝設計,對於在 4K 解像度、全高特效下開啟實時光線追蹤以及打造加速器、專業卡等將有極大的益處。

 

鑑於在未來使用新工藝生產大核心晶片的成本越來越高,採用 MCM 封裝顯得更為經濟一些,而且從 AMD 的 Zen 2 來看,這種方式還有易於擴大晶片整體規模的優點,它和類似的技術已經成為半導體未來的發展方向之一。

 

Hopper GPU

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