苹果的怪兽芯片，M2 Ultra深度解读

在之前的文章《苹果更多自研芯片曝光》中，我们对苹果的芯片进行了报道。今天，我们深入谈一下苹果的怪兽级处理器“M2 Ultra”。

M2 Ultra 用于苹果 2023 年 6 月发布的顶级电脑 Mac Pro 和 Mac Studio。处理器部分，苹果在2023年2月发布的“MacBook Pro”中使用了两个“M2 Max”（12核CPU，38核GPU）面对面连接（通过苹果自己的接口连接），计算单元数量为CPU 24核，GPU 76核，这与Intel、AMD、NVIDIA等处理器厂商相当。

除了CPU和GPU之外，通过使用两个“M2 Max”，与DRAM的接口增加了一倍，并且最大可以连接192 GB的统一内存（LPDDR5）。由于连接了 8 个 DRAM 芯片，因此最大情况下堆叠 6 片 2GB LPDDR5。

M2 Max的晶体管数量为670亿个，M2 Ultra的晶体管数量为1340亿个，是前者的两倍。NVIDIA在2022年底发布的GPU“GeForce RTX 4090”也拥有最多的晶体管数量，总计763亿个。Apple 的 M2 Max/M2 Ultra 配备了与 NVIDIA 最大的 GPU 相当的晶体管。

图 1显示了 Apple M2 Ultra 模块的俯视图（背面有 7000 多个端子）、处理器底部的玻璃环氧树脂以及拆下的两个处理器。包装尺寸适合您的手掌。

图 1：Apple M2 Ultra 拆解

处理器底部的玻璃环氧树脂上有很多孔，这些地方嵌入了硅电容器。硅电容共58颗。每个硅电容器覆盖计算单元和具有高激活率并成为噪声源的高速接口，例如CPU、GPU、NE（神经引擎）、DRAM接口和芯片到芯片连接的正上方。

考虑到电感器和电阻元件，在计算单元正上方布置电容器在特性方面非常有效。通过在M2 Ultra中嵌入多达58个硅电容器，我们在供电稳定性等特性方面采取了措施。

在功能方面，M2 Ultra与各大处理器厂商的芯片不相上下，但在特性方面也充分考虑。M2 Ultra 模块周围布置有四个电源控制 IC。这些电源IC也是苹果公司自主研发，并由苹果公司优化控制。M2 Ultra模块是一款优化电源并最大化特性的处理器。

图 2显示了连接两个 M2 Max 的硅中介层。硅中介层，顾名思义，是用于连接两片或多片硅而不形成晶体管的硅。由于布线形成在硅上，因此可以最小化线宽和间距，并连接大量信号。根据苹果的公告，有超过 10,000 根电线连接 M2 Max。

图2左侧显示了两个M2 Max单元的外观以及嵌入在下面的硅中介层。可以看到它是一条狭长的，只覆盖了两台M2 Max的接口部分。由于目的是将处理器相互连接，因此不需要很大的面积。

图2右侧是上一代“M1 Ultra”（M1 Max x 2个单元）而非M2 Ultra的处理器连接处的截面SEM照片。

两片硅片彼此相对，并嵌入硅中介层以覆盖连接部分。我将省略它是如何连接的。硅中介层不仅是细长的，而且是非常薄的硅。从图 2 右侧可以看到，处理器硅片和硅电容器很厚，但中介层却非常薄。

硅中介层也用于 AI GPU 中使用的 HBM（高带宽内存），但大多数硅中介层足够大，足以覆盖 GPU 硅和 HBM 硅。这次我不会发布 HBM 使用的硅中介层的照片，但有 4 x 3 厘米大的芯片。Apple 的 M2 Ultra（以及 M1 Ultra）具有小面积薄硅中介层，仅覆盖处理器之间的连接处。它是内置的，以便融入模块内处理器的底部！

图 3显示了 M2 Ultra 模块中内置的统一内存 (LPDDR5)。内存上下排列了四个，围绕着处理器，总共八个封装。

图 3：M2 Ultra 模块中嵌入的统一内存 (LPDDR5) 的分解图

此次报道的是最小尺寸64GB版本。前面提到过，最大也有192GB的版本，但内部配置不同。对于 64GB，拆掉如图 3 所示的内存封装模具，可以看到左右两个 LPDDR5。目前，很多移动存储器并不能用单片硅片实现大容量，而是通过将多片硅片组合在一个封装中，例如水平或垂直堆叠（同时并行化），速度更快，实现大容量存储。容量更大。

封装端子部分的照片很模糊，但苹果使用的内存几乎是市面上 DRAM 的两倍端子（做了位扩展），还有内部硅（由内存制造商制造的东西）也有部分定制。

图 4显示了 M2 Ultra 64GB 版本统一内存的内部如何分成单独的硅片。64GB版本由8个封装组成，因此每个封装8GB。8GB封装内部，8颗硅芯片排列成横两行、纵四行。一颗硅片可容纳 1GB LPDDR5。最大尺寸192GB版本在一个封装中具有2GB LPDDR5，2个水平行和6个垂直行。

图4：M2 Ultra 64GB版统一内存逐片拆解

Apple 的 M2 Ultra 模块水平和垂直嵌入了大量硅（功能、特性、内存）。2 个处理器芯片、1 个硅中介层、58 个硅电容器、64GB 版本有 64 个 1GB LPDDR5，192GB 版本有 96 个 2GB LPDDR5。总共，最小配置的 125 块硅片和最大配置的 157 块硅片内置在一个手掌大小的模块中……！

通过结合HBM等硅片来实现更高功能（增加内存带宽）的产品越来越多，但即使算上堆叠内存，一个封装中存在的硅片数量也不足100颗，很常见。实际上不到50。这些数字清楚地表明了苹果 Ultra 系列的封装技术有多么先进。目前，半导体的发展正在小型化和先进封装两个方面取得进展，但苹果正在并行且同时进行。