漫談蘋果M1全系列：半導體新時代!

林亦

在2022年的春季發布會上，蘋果公司發布了M1系列芯片的新成員——M1 Ultra。一直講究命名獨創性的蘋果，這回跟三星的Ultra手機&平板系列撞了個結結實實。當然三星也沒錯過這個機會，不到一個小時就發了條推特說自己贏了，現在全世界都知道三星的運營部門上班時間看蘋果發布會了。

說完這個小插曲咱們回到正題，M1 Ultra是一張意義深遠的芯片，對蘋果乃至整個半導體產業，都是如此。雖然大部分人用不上這張芯片，但這不影響我們對它臺前幕后的故事感興趣。

對蘋果來說，這標志著第一代M系列芯片全部發布完畢。這一點在發布會上，得到了蘋果負責硬件工程的高級副總裁John Ternus的確認。作為最后也是最強大的一張M1，M1 Ultra走在了半導體產業先進封裝這個新方向的前列。對整個半導體產業來說，這也是一張有里程碑意義的芯片，率先為我們勾勒出了摩爾定律2.0時代的輪廓。

關于半導體新時代，我們先從M1 Ultra芯片談起。這張芯片的特點是由兩塊M1 Max縫合出來的，M1 Ultra最大能達到20個CPU核心、64個GPU核心，128GB統一內存。對比M1 Max的參數剛好翻倍。

芯片縫合參數翻倍這種事，以前也有，比如05、06年英特爾的奔騰D處理器，然而實際效果欠佳——雖然兩晶片被縫合在一起，但兩者卻不能通信。大家小時候應該都經歷過這種情況，就是跟好朋友鬧翻了，誰也不跟誰講話，所有事呢，都得靠一個共同的朋友來傳話。當年奔騰D的兩個晶片就是同樣的情況，所以雖然參數翻倍了，但性能提升主要還是靠用戶對自己進行心理暗示，我稱之為“精神超頻”。因此這種方案不僅沒有發展成主流，反而衍生出了“膠水雙核”這么個梗，專指這類騙自己的多晶片方案。所以今天常見的多核處理器、都是把CPU核心刻在同一塊晶片上，保證核心與核心之間的高速通信。

不過這次兩塊M1 Max縫合出來的M1 Ultra又有了新變化，關鍵就是UltraFusion。UItraFusion的通信速度達到了2.5TB/s，而且這個TB的B是大寫的、不是小寫的。筆者十多年間收集的影視資源也就區區4個T，UltraFusion不到兩秒就能給傳完，這個速度是PCIe4.0 x16插槽的78倍、入門級M1統一內存的36倍。M1 Max的內存通信速度達到了400 GB/s，不到UltraFusion的1/6。實際上M1 Ultra自己的內存通信速度是800 GB/s，也不到UltraFusion的1/3。

這是一個值得討論的話題。首先M1 Ultra內存800 GB/s這個數，是很說明問題的。MI Ultra里面有兩個M1 Max，每個M1 Max的內存帶寬是400 GB/s，假如上半部分一個CPU核心同時訪問所有內存，它享受的帶寬就應該是上面這塊M1 Max的帶寬、加上下半部分的內存被UltraFusion卡了一下之后剩下來的帶寬。現在這個800 GB/s剛好是上下兩部分加起來，400加400，所以這就側面反映出UltraFusion的帶寬確實是給夠了，至少沒耽誤內存。

有國外博主提出另一種看法，他認為根據這個數字來說，應該還會有一款兩塊M1 Ultra兩層疊起來的設計，總共四塊M1 Max縫合到一起，原因就是UltraFusion這個2.5 TB/s的帶寬是M1 Ultra內存800GB/s的三倍多，給兩個M1 Ultra用也是足夠的。

對此，筆者持懷疑態度。按蘋果在發布會上的描述，M1 Ultra在軟件實際調用的時候會被識別為一塊單一芯片，不需要程序員額外注明任務怎么分配，兩塊M1 Max自己就能協調好，對外表現是一整塊20核的處理器，而不是兩塊10核處理器。實際跑分結果也印證了蘋果的這個說法。M1 Max的Geekbench多核跑分是1.2萬，M1 Ultra是2.4萬，實際性能上確實是翻倍效果。想要把融合效果做到這種程度，兩張M1 Max之間的信號傳輸就不能只限于內存了。CPU、GPU、緩存，還有神經引擎、媒體引擎這些元件之間應該都要有信號傳輸，到極限情況M1 Ultra一起工作，2.5 TB/s可能也只是剛好夠用而已，所以我對這套通過帶寬反推新芯片結構的邏輯表示懷疑，但大家可以對四塊M1 Max縫合這個事留個印象。

言歸正傳，回到M1 UItra本身。上文我們提到M1 UItra里兩塊M1 Max，可謂珠聯壁合，宛若一體。再回看更早英特爾奔騰D的“膠水雙核”，理念還是一個理念，但實際效果是天壤之別。從目前的Geekbench跑分來看，M1 Ultra超過了Mac Pro中英特爾的28核至強處理器，甚至接近了AMD 64核的線程撕裂者3990X，同時功耗卻比這兩者低得多。那為什么同樣的理念，今天的效果卻突飛猛進？答案就是半導體產業這些年的一個新動向：先進封裝。

什么是封裝呢？半導體工藝流程分前段制程和后段制程。顧名思義，前段就是前面在晶圓上刻晶片、做電路的這些步驟，后段就是后面的步驟，封裝就屬于后段制程。這一步簡單點講，就是把前段制程里切下來的小晶片裝到電路板上，扣上蓋子，做成咱們日常能買到的比如英特爾i5、i7這些CPU。

這幾年封裝技術進步特別快，舉個側面的例子，就是“CPU”這個名詞都開始有歧義了，像以前我們說CPU指的就是這一整塊芯片，但是現在隨著封裝技術的進步，芯片這個蓋子里集成的功能越來越多，CPU反而只是其中的一塊了。尤其是像M1 Ultra，你說CPU具體指M1 Max里的CPU區域，是M1 Max，還是整個M1 Ultra呢？

這就是人類語言追不上技術的一個典型例子，也側面反映了先進封裝技術對半導體產業的顛覆性。先進封裝，就是把今天復雜、大型的晶片封成一塊芯片的技術，也是半導體產業的一條新賽道。長期以來，半導體產業的主要精力都在前段制程上，通過縮小晶片上的晶體管尺寸來提高晶片性能，但晶體管越小，再往下縮面臨的物理限制就越多，難度可以說是指數級上升。當年英特爾就是因為低估了問題的難度，高估了自己的能力，在加號地獄里無限輪回，最終導致了蘋果的跑路，如今換了一個技術出身的CEO才終于又有了起色。不過從整個半導體產業來看，晶體管尺寸的物理限制是所有人都要面對的難題。無論英特爾、臺積電還是三星，近年的制程升級節奏都在變慢。所以前段卡住，發力后段做先進封裝，就成了行業的共識。除了今天的這張M1 Ultra，英特爾也在做EMIB和Foveros 3D封裝，而AMD的3D封裝芯片、R7 5800X3D將在4月20日面世。

M1 Ultra芯片由兩塊M1 Max強強合體，給你磅礴動力，處理各種龐大艱巨的工作。運行復雜的粒子模擬，或是執行過去難以實現的大型三維場景渲染，現在都得心應手。M1 Ultra的媒體處理引擎資源也同樣翻倍，可支持同時播放多達18條8K ProRes 422視頻流，這在個人電腦上是極具顛覆性的。

其實摩爾定律本來就是說每18個月芯片上的晶體管數目翻一番，就沒提過晶體管尺寸。今天的晶片已經很小很小了，借助先進封裝技術擴大芯片面積，從而增加晶體管數目，同樣可以維持摩爾定律，支撐半導體產業的發展，因為不同于長期以來縮小晶體管尺寸的思路，所以封裝產業將這個新方向稱作是摩爾定律的2.0階段，今天的M1UItra，包括即將開賣的AMD 5800X3D，都在證明這個方向的可行性，而這兩款產品的制造企業其實是同一家，就是臺積電，包括摩爾定律2.0這個概念，也是臺積電的工程人員提出來的。

講先進封裝，一定繞不開臺積電。臺積電在先進封裝技術上是起步最早的企業之一，這背后也有段故事。

2011年，重新執掌臺積電剛剛兩年的張忠謀，宣布要做先進封裝。2011年的時候英特爾還在32納米制程上，那時提到先進封裝大家想到的也是拉胯的膠水雙核，所以老先生的這句話很多人想不通。封測大廠日月光的財務長董宏思就評價說“這種技術只會被用在極少數的特定高端產品中，影響有限”。當時在臺積電負責先進封裝研發的人，是今天的臺積電副總經理余振華，他就回擊說“先進封裝這個技術，以后所有高階產品都會用，市場很大”，說自此專注于先進封裝的研發。

到了2013年，FPGA廠商賽靈思成為了臺積電先進封裝技術的第一個客戶。一年之后，英特爾正式進入14納米制程，開啟了一場以加號為主題的奇妙旅程，制程困局的倒計時，正式開始。今天回頭來看，張忠謀可謂慧眼如炬。再看看蘋果的M1 Ultra、AMD的5800X3D，余振華當年的話也在逐漸成為現實。

話說回來，臺積電的先進封裝在M1 Ultra的制造上，到底干了啥？根據當年電子時報的報道，UltraFusion使用的大概率是臺積電的CoWoS-S技術，也有可能是成本更低的InFO-LSI、類似英特爾的EMIB。這里我們以CoWoS為例解釋一下，這幾個技術主要區別是材料的用量不一樣，相應地成本也不一樣，但原理相通。CoWoS的全名是chip 0n Wafer on Substrate，名字很直白，描述的就是這么個三層結構，Chip是晶片，在最上面，Wafer指的是硅介質層，夾在中間，英文叫Silicon Interposer。蘋果發布會上Johny Srouji講UltraFusion的時候，左一個interposer、右一個inte rposer，說的就是夾在中間的這個硅介質層。最下面一層就是Substrate——載板，通俗點叫電路板。這三層里面最創新的是中間這層。它的作用是縮體積、降功耗。硅介質層和晶片的材料一樣都是硅，內部電路結構可以比下面的電路板更細、更密，電路寬度可以做到1/10甚至更細。M1 Ultra有大量的功能電路和通信電路，晶片放不下的就可以由中間這個介質層來分擔，但如果沒有介質層，讓電路板來分擔，那體積和功耗都要成倍增加，因為電路板的線太粗了。形象點說，如果沒有這種先進封裝技術，那MI Ultra根本放不進Mac Studi0這個小盒里，如果硬要把這些信號通道刻在電路板上，M1 Ultra的尺寸可能比蘋果的27寸顯示器還大，耗電量可能超過家用空調和冰箱的用電之和。所以這就是臺積電先進封裝的意義，因此M1 Ultra才成為了可能。

那么問題來了，即使是有臺積電的先進封裝，但M1 Ultra上面有1140億個晶體管，為了讓兩塊M1Max珠聯璧合，宛若一體，這些晶體管之間又要有無比復雜的通信電路。若干晶體管和電路的故障是大概率事件，就算有冗余設計，像M1 UItra這么復雜的晶片，良品率也有限。生產成本這么高、再加上新芯片巨大的設計成本，售價必然高不可攀。不過不用擔心，咱們看看蘋果的CEO是誰？Tim Cook，工業工程出身，資源優化大師。1998年3月臨危受命來到蘋果，七個月后把產品庫存量從30天減少到6天，到1999年又進一步減少到驚人的兩天。“庫存克星”這個稱號對庫克是一種羞辱，因為有庫存才需要克星，而庫克的目標是“沒有庫存”。當年庫克在lBM學的就是JIT制造模式，“Just in Time”，需要多少做多少，不留庫存。有這樣一個領導者，你可以相信蘋果能解決M1 Ultra的成本問題。

接下來，咱們就來講一講蘋果的20210217702A1號專利，全名是“晶片連接的系統與方法”，這里面有UltraFusion的結構描述，也有上文提到的成本問題的解決思路，更有下一代大型芯片的預先規劃，我稱之為“蘋果自研芯片全面劇透”專利。

這篇專利公開于2021年7月15日，相比M1 Ultra的發布提前了半年多。芯片投產前就做專利保護是很正常的，但為什么提前這么多？聽我慢慢道來。

首先關于ultraFusion的具體結構方面，專利書第31段、第37段，第42到48段，以及結尾部分的20條專利主張都進行了描述。首先兩塊M1 Max晶片在分界線兩邊各有一條信號緩沖帶，M1 Max上需要通信的元件，比如CPU、GPU、內存都與信號緩沖帶連接，信號從這些元件走到緩沖帶，再經由緩沖帶上的通道穿過分界線，到達對面的緩沖帶，最后到達目標元件。

搞清楚結構，我們就可以講前面的成本問題了。根據專利書上的描述，芯片生產過程中，工廠會先在晶圓上排滿M1Max晶片，然后逐一檢查，把相鄰且內部電路完好的晶片找出來，在這些晶片之間搭建信號通道、填充電介質，連上之后，一對對兒切下來，M1 Ultra就成了。剩下的晶片，如果只是負責跨晶片通信的電路有問題，就單獨切下來，當M1 Max來賣，這就是為什么去年的M1 Max芯片下面，全都額外有一條信號緩沖帶，這個并沒有什么用的結構，我稱之為“庫克的微笑”。這也是為什么蘋果去年七月就要公開專利，因為10月M1 Max就要發布了，生產M1 Max其實就是在生產M1 Ultra，所以要提前保護。不過降成本這條路走到這兒還沒完，M1 Max的結構也挺復雜，萬一也做壞了呢？沒關系，庫克也做了預案。如果生產缺陷是在下半部分，橫著來一刀，它就變M1 Pro了，照樣賣。這些都是很優秀的成本控制設計。這樣一來呢，良品率變高，生產成本和設計成本卻被攤薄了。再進一步，設計成本其實還能往下攤。雖然M1 Pro沒法直接砍成M1，但是像CPU、GPU核心、雷電控制器等，很多元件都可以在M1上原樣復用，每賣出去一張M1，同樣也是在分攤整個M系列芯片的設計成本。如此來看，我們可以理解為M1 Ultra才是整個系列的主角，其余產品都是為了它的誕生而服務。順著這個思路，iPad Pro和iPad Alr為什么上M1芯片，也就終于有答案了。我之前覺得蘋果上M1是想用iPad取代電腦，現在我覺著我判斷錯了，至少是因果關系反了。對蘋果來說，只要iPad散熱壓得住，上M1之后都是好事。性能強、有噱頭、有關注度，還能分攤M系列芯片的設計成本，而且還省了設計iPad芯片的成本，所以對蘋果來說沒什么理由不給iPad上M1。讓iPad取代電腦，最多就是有了上M1這個打算之后的想法，或者干脆就沒有這個想法。照這個思路，未來基礎版iPad、甚至iPad mini，只要散熱壓得住，很可能都會上M系列芯片。再往外推一步呢，蘋果的長期目標，很可能就是把手機、平板和電腦的芯片都統一到同一個芯片產品線上，理論上來說這樣可以最大程度地減少浪費，還能增加生產線運營的靈活性。比如說某段時間iPad Air的銷量遠高于MacBook Air，那就把給MacBook準備的M1芯片，調給iPad Air，這種極致的優化，剛好是今天的蘋果CEO庫克最擅長也最喜歡的事。假如真有那么一天，蘋果就會變成一個運營效率極高的科技工業體，能不能做出改變世界的產品要靠運氣，但每年的財報絕對會非常好看。那時，蘋果就真的是庫克的蘋果了。

這件事到底有沒有可能呢？我們再回到蘋果的專利書。專利書的本質就是通過公開來換取保護，把你想做的和有可能會做的事都寫上去，寫得越全，獲得的專利保護才能越全面。蘋果這篇專利書的第39段（找原文標記）介紹了這套晶片縫合方案的潛力。這套方案并不局限于兩塊晶片，任何數量都可以，比如三塊、四塊。晶片的縫合邊也不必局限于一條，最多可以給四條邊都加上信號緩沖帶，這樣四條邊都可以與其他晶片縫合。這就是明確說了四塊晶片合體是可行的，而且合體方式不是疊放、也不是通過插槽中轉，而是多邊縫合。有了這個信息，首先可以確認M1 Max不可能四塊合體了，因為M1 Max上只有一條信號緩沖帶，如果想四塊晶片合體，按照蘋果專利書里的方案，每塊晶片至少要有兩條緩沖帶，明顯M1 Max就不行了。然后就是剛才說的手機、平板、電腦全線芯片統一，這事的可能性是存在的。今天手機跟電腦芯片的性能差距已經沒那么懸殊了，未來手機用單晶片，平板和輕薄本用雙晶片，專業本和臺式機用四晶片，好像也不是不可以，那就真成摩爾定律2.0了，但是在這種縫合方案的成本降下來之前，這都只是猜想。

今天我們從M1 Ultra的參數談起，先追溯了老一代封裝方案“膠水雙核”的黑歷史，然后就M1 Ultra的實際性能結合半導體產業的現狀，講了封裝技術的“老樹開新花”，那講到了先進封裝，就不能不提臺積電和摩爾定律2.0，以及臺積電先進封裝如何讓M1 Ultra成為了現實。翻閱蘋果的UltraFusion專利書，從M1 Ultra的成本控制出發，梳理了M系列全產品線的關系，展望蘋果未來，我們一起等待時間驗證。