UltraFusion - 蘋果一統高性能運算市場的殺手鐧。

2022年三月，蘋果再一次在半導體產業，尤其是晶片設計領域寫下了歷史新頁。
 

日前蘋果正式公佈最新的筆記型電腦處理器晶片：M1 Ultra，總共具備二十核心CPU、六十四核心GPU和三十二核心類神經網路硬體加速器，記憶體系統支援每秒800GB頻寬。

根據GeekBench處理器性能評測排行，M1 Ultra乃目前性能最強的個人電腦處理器，市面上能勝過M1 Ultra者只剩伺服器運算中心等級的Intel高階Xeon系列與AMD EPYC系列處理器。

嚴格來說M1 Ultra並非新產品，而是將已用於MacBook Pro筆記型電腦的兩個M1 Max處理器晶片，透過先進封裝技術拼接在一起，提供更強的性能。

沒錯，這迄今性能最強的處理器晶片，竟是一個「拼接」出來的產品。

 

盡管很多高性能運算需求的核心處理器都已採用Chiplet（晶片拼接封裝技術）架構提升性能，可是這次蘋果將兩個M1 Max處理器晶片拼接在一起，使M1 Ultra各項硬體性能近乎直接翻倍，仍然震撼了半導體產業。

 
一般認為M1 Ultra之所以能藉由拼接實現性能倍增，主要歸功於蘋果和台積電共同合作研發的新封裝架構：UltraFusion，該技術乃建立於台積電第五代CoWoS Chiplet 3D封裝技術上發展而來。

 
從蘋果在2021年七月公布的Chiplet專利來看，UltraFusion多晶片拼接封裝技術在M1 Max公布前就已經完成，實際上UltraFusion封裝架構確實已內建於之前發布的M1 Max晶片中，但直到2022年三月，蘋果發布M1 Ultra時才被明確啟用。
 

相較於其他多晶片拼接技術，UltraFusion矽中介層的邏輯電路和數據傳輸線，具備更低電容和電阻，帶來較低的功耗，能以更高的頻率操作，以維持晶片之間數據傳輸的穩定性，成功實現每秒2.5TB的超高傳輸頻寬。

此性能數據勝過其他晶片拼接封裝技術，如目前Intel、AMD、Arm、台積電和三星等眾多半導體巨擘共同推行的晶片互連通道（UCIe），達數倍之多。
 
從這角度分析的話，蘋果應該在UltraFusion上有掌握不少獨家技術，此外UltraFusion還透過裸晶接合（Die Stitching）技術來擴大矽中介層的面積，進而提升封裝後的良率，降低了平均成本。
 
之前在討論Chiplet技術時曾提到過，這種多晶片拼接技術的開發彈性極高，若無視成本和功耗情況下，理論上可以拼接的晶片數量無上限。
 

甚至進一步作點浮誇猜想，只須設計一中階性能的處理器晶片，視情況不斷拼接以提升性能，即可適用於所有性能需求的產品，需要多少性能就拼接多少晶片給你，不需針對不同產品重新設計。

近幾年市場持續有謠傳蘋果意圖切入伺服器運算中心市場，只要利用UltraFusion拼接出規模更大、性能更強的晶片，要辦到看起來並沒有什麼困難，甚至想挑戰最高性能處理器晶片的寶座，也純粹是蘋果的意願問題。
 
不過比起立刻切入伺服器市場，我認為首當其衝的可能是蘋果利用UltraFusion的高完成度和開發彈性，直接一統整個高性能運算相關消費性電子產品市場。

 
未來蘋果只需要開發一款具高度拼接性的處理器晶片，然後分別讓手機搭載未拼接版，平板載兩顆拼接版，低階電腦搭載四顆拼接版，高階電腦搭載八顆拼接版等即可，這次蘋果成功用M1 Max拼接出M1 Ultra，幾乎證實了這個商業模式的可行性。

 
或許有人會提出疑問，兩倍硬體帶來翻倍性能，聽起來不是挺理所當然嗎？
 

很遺憾，這件事不是乍看之下那麼簡單，縱使其他Chiplet相關技術帶來的拼接效果都已經遠勝過往以印刷電路板為載體的嵌入式系統，可是想達到拼接硬體數量和綜合性能呈完全線性關係，仍有非常大的距離。
 
退一步來說，將不同硬體系統全面整合在單一晶片上的系統單晶片，都很難讓堆疊硬體數量和綜合性能呈完全線性關係，而UltraFusion竟然能在晶片層級直接拼接就做到一加一等於二，實在非常駭人。
 
而且UltraFusion厲害之處不僅在先進封裝領域的頂尖技術，包含晶片上的軟體整合、系統調度等都要到位，整套解決方案的完成度難以言喻的高，才能讓M1 Ultra橫空出世，示範多晶片拼接封裝、半導體製造與系統及電路設計等多領域的完美整合，為未來研發更強大性能的終端裝置提供了想像空間。
 
當別人還在討論半導體產業準備踏入摩爾定律2.0時代，蘋果直接拿出M1 Ultra告訴你，他們已經研究透徹，這就是摩爾定律2.0的理想答案。
 
不久前台積電才與Intel、AMD、三星及日月光等一眾半導體巨擘合組UCIe聯盟，意圖共同推動多晶片拼接技術，但該技術的性能表現明顯不如蘋果和台積電共同研發的UltraFusion。
 
NVIDIA則未加入UCIe聯盟，一般猜測可能想仿照蘋果，自行研發多晶片拼接技術。
 
總而言之，Intel、AMD等其他晶片設計業者不僅在晶片設計領域相對蘋果不具優勢，連先進封裝領域也明顯落後，這些競爭對手將會愈來愈難追趕蘋果的腳步，未來幾年蘋果的地位可能更難以動搖。