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作为Apple Silicon的第一代产品，M1对于苹果和业界都具有标志性的意义。如今，M1家族已经扩充到了第四个成员：M1 Ultra。
然而，也许是兄长们将市场的期待值抬得过高，M1 Ultra的问世并没有像前者一般受到众星捧月的荣光。相反的却出现了不少质疑：“不过是两个M1 Max的简单拼接罢了”，“并没有逆天的性能”、“除了做视频一无是处”、“能打游戏吗”……
所以，M1 Ultra究竟是拉胯还是引领了芯片设计的新趋势？苹果最强芯片的背后，体现了它们怎样的设计理念？这篇文章我们就来深入看看。
“1+1”：堆料背后的逻辑链
在芯片设计风格上，“舍得堆料”是苹果一贯的特色。
从微架构级别的堆内存，到更宏观一些的堆CPU、GPU核心，再到直接将两个完整的SoC堆在一起，苹果的设计理念并不是在随机地发展着，其背后是一条连贯的逻辑线。
因此，当两个M1 Max芯片堆砌而成的M1 Ultra呈现在我们面前时，一切是如此意料之外而又情理之中。
硬件参数直观地反映了堆料的效果，这也是M1 Ultra出乎我们意料的原因之一：20个CPU核心、64个GPU核心、32个神经网络引擎、128GB统一内存、800GBps内存带宽、1140亿个晶体管，再加上台积电5纳米制造工艺的加持——虽然苹果在硬件设计方面的出手阔绰已是人尽皆知，但是如此富裕的硬件资源仍然让人咋舌。
相比之下，英特尔的数据中心级超算GPU Ponte Vecchio、英伟达刚刚发布还热乎着的H100 GPU，晶体管数量也“仅有”区区1000亿和800亿。
所以问题是，为什么苹果这次选择的是“1+1”的方式，而不是从零开始、用一个全新的架构来整合以上的硬件资源呢？
之前我们聊到了“以芯粒（Chiplet）为基本单位”这种集成方式的优势所在、以及行业巨头们对它的推崇备至——UCIe标准的推出。
而M1 Ultra选择在此时登场，可算是把戏剧性拉满了：一方面，苹果用产品表明了自己力挺基于芯粒的技术方向的态度；另一方面，又叫板了UCIe：“芯粒的互联，我已经搞定了”。
当然，从芯粒的角度来说，身为SoC的M1 Max显然是太大了些。毕竟在大部分的语境中，一个芯粒更接近于一个IP的物理实现。即便如此，两者的出发点仍然有相当高的一致性，因此将M1 Ultra看成是一种较为极端的、芯粒互联的尝试也并无不妥。
使用芯粒的最大好处，就是能显著缩短芯片开发的周期。
这类似于模块化设计的概念，通过把一个复杂的设计任务拆分为多个功能特定的子任务，实现同一个公司中的不同组之间、乃至不同公司之间的分工合作，把每一个子任务交到擅长的人手里，开发效率自然能发生质变。
这一点对于M1 Ultra的设计工作而言同样是成立的。假设没有M1 Max这个子模块，如果要把如此丰富的硬件资源一股脑儿塞进一个全新的设计中，我们可能等到明年才能见到M1 Ultra。
芯粒的好处不仅局限于架构设计，而是遍布于芯片开发的各个阶段，比如后端的制造阶段。
在相同的制造条件下，越大的芯片面积往往意味着越低的良率。这有点像传说中的“不要把鸡蛋都放在一个篮子里”：打个比方，在平均每个晶圆出现一个坏点的情况下，如果每个晶圆的大小只能容纳一块芯片，那么几乎所有被制造出的都将是废片。但如果芯片面积没那么大、一个晶圆可以制造十块芯片，那么良率将直接拉升到接近90%。
通过基于芯粒的设计方式，一个大芯片可以分解成多个芯粒拼凑得到，而不是作为一个整体被制造出来，这就能有效地规避低良率造成的成本过高的风险。
芯粒已经成为近年来芯片设计和制造的热点，以至于几家大公司前不久刚刚推出了UCIe协议，目的就是统一芯粒的设计要求和规范。从此芯粒的玩法就有了游戏规则，在规则内大家可以任意发挥。
不过，不让人意外的是，UCIe的初始成员名单里并没有苹果。
多年以来，苹果一直用实际行动宣告着：尽管自己有着设计一流的芯片的能力，但却完全无意通过将自己的设计贩卖给其他厂商的方式来获利。因此，成为制定UCIe标准的一员对于苹果而言显然不是一个多有吸引力的选项。
但是，这不表示苹果对于基于芯粒的设计理念是不屑一顾的。正如我们所看到的，通过以“1+1”的方式开发出M1 Ultra，苹果选择用产品这一最有说服力的载体来宣布：“芯片互联，我是极为支持的，并且又一次走在了行业的前沿。”
UltraFusion：实现“1+1=2”的胜负手
从硬件参数的角度来看，两块芯片的互联自然意味着硬件资源的直接叠加。
但要是说到性能释放，这道加法便没那么简单了：“1+1”等于2并不是必然，结果可能是1.2、1.5...甚至后者们才是常态。
这道看似简单的加法题该如何解？苹果的答题思路才是重头戏。
事实上，基于芯片互联的多CPU系统目前已经得到了非常广泛的应用，尤其是在工作站等应用场景下；但是与之相对的，多GPU系统却还有着不小的技术进步的空间。
有的读者朋友可能有异议：“这不是睁眼说瞎话吗？苹果自家的Mac Pro不就属于这一范畴？”
诚然，应用早已经不在少数，但是效果上还只能说是差强人意。究其原因，在于GPU对于带宽的要求实在是太高了，而导致的结果就是“1+1<2”：GPU们尽管被连在了一起，但是在面对计算任务时却依然是各自为战、跟一个个独立的GPU没什么差别。
这样的现象在面对单一任务时会被最大程度地放大。由于无法协同完成计算，最常见的情况就是：系统中的一个GPU大包大揽、而其余的激情围观。这种对硬件资源的浪费，显然有悖于我们搭建多GPU系统的初衷。
对此，坐拥来自两个M1 Max的、共计64个GPU核心，M1 Ultra给出的解题思路是一种名为UltraFusion的封装架构。
UltraFusion利用额外的硅中介层连接起两块M1 Max，而这个连接的超高速接口早在M1 Max上就已经存在了。这进一步印证了：苹果选择以“1+1”的方式设计M1 Ultra早已埋下了伏笔，而不是心血来潮。
而硅中介层的应用，使得整个封装架构呈现出典型的“2.5D”的特征。作为应对逐渐放缓脚步的摩尔定律的手段之一，从平面的2D走向立体的3D一直被认为是芯片封装技术重要的发展方向，2.5D便是过渡阶段中一种典型的技术手段。它并不是直接把两个芯片叠加起来的那种真3D结构，而是将多个芯片通过额外的中介层或者桥接进行互联和集成。
关于苹果的UltraFusion，有些人认为它的实现方式基于台积电的CoWoS-S（Chip-on-Wafer-on-Substrate with Si interposer）技术，并做了一系列的优化，比如用可关闭的缓冲器来有效降低互连线的功耗，引入短且密集金属互连从而提高性能等等。
在UltraFusion的加持下，两块M1 Max间的带宽来到了恐怖的2.5TB/s，这是M1 Ultra很有潜力在实际性能上也能实现“1+1=2”的关键 ：对于某一具体的应用场景来说，只要两块M1 Max间的数据传输速度能够满足其需求，那么两块芯片中的硬件资源对于该应用而言便是一个合二为一、可以任意调度的整体。
PK环节常常是苹果发布会上最让人津津乐道的部分之一，而这一回成为了背景板的是英伟达家的GeForce RTX 3090。
3090应该可以说是目前桌面级显卡产品中的一哥，而根据苹果给出的数据，在相同的性能下，M1 Ultra的功耗比前者低了200瓦，因此，这个数据乍一看颇为震撼。
但是，我觉得并没有必要对于这一对比结果做过度的解读。
首先，两者的晶体管数量上就有着较为明显的差距：M1 Ultra约为3090的四倍，堆料对于性能的贡献自然不容忽视；并且两者的目标市场的重合度也不高，这决定了3090的架构设计中很少将“低功耗”作为一个重要指标 ；何况M1 Ultra基于业内最为先进的台积电5纳米制造工艺，而3090采用的则是三星的8纳米工艺，由制造工艺上的差距造成的性能差异同样是有决定性意义的。更重要的是，当系统给到满血功率的时候，3090的性能实际是超过M1 Ultra的，已经有不少国内外的博主证实了这一点。
比起花式地作出“震惊！M1 Ultra吊打了…”这样的惊呼，我对于M1 Ultra最大的期待仍然执着于那道简单的难题：它究竟能不能在实际的应用场景中实现“1+1=2”？
从硬件角度来说：2.5TB/s的片间带宽能够满足具体计算任务的需求？片间的延迟会不会依旧是难以攻克的瓶颈？而在软件方面，能否灵活地调度两个M1 Max中丰富的硬件资源来高效地完成各种处理任务 ？我觉得这才是M1 Ultra真正需要证明自己的地方。
我很期待苹果用M1 Ultra交出的这份答卷，因为一旦它成功了，这对于基于芯粒的设计理念来说、对于基于芯片互联的多GPU系统来说，都将是具有划时代的重大意义。
小结
利用UltraFushion技术，苹果选择用两块M1 Max拼接组成M1家族的最后、同时也是最强的一员M1 Ultra——这一选择看似简约，但绝对不简单。
随着制定UCIe标准一事被提上日程，基于芯粒的芯片设计理念从幕后走向了台前。通过M1 Ultra的发布，苹果向我们传达了自己对于这一理念的理解与支持，或者说展示了一种具有苹果特色的、对于这一理念的打开方式：芯片互联能带给我们的不仅仅是更便捷的芯片开发流程、开发效率，还可以是更为强大的计算能力——在半导体制程逐渐逼近物理极限的此时此刻，这一点至关重要。
M1 Ultra是否是一款成功的设计？这个问题的答案可能并不重要，但苹果用M1 Ultra指明了一个可行的技术方向，因此其存在本身便为行业提供了指导意义。
（注：本文不代表老石任职单位的观点。）
