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      HD5800輝煌的根本 RV870背后研發故事

          泡泡網顯卡頻道2月27日 AMD第一代DX11產品已經全線發布上市,對市場乃至整個業界造成的影響都有目共睹,然而在輝煌的背后,是無數偉大的工程師辛勤工作的背影。國外權威硬件媒體AnandTech在9月份HD5870的發布會后,了解到了RV870(Cypres)芯片研發的過程,并撰文《The RV870 Story: AMD Showing up to the Fight》。下面,就是這篇記錄著大量RV870研發過程文章的中文版,雖然長達10多頁,但按照作者的話說這仍然只是故事的一小部分而已。


      電話

          我與AMD PR之間又愛又恨的關系一直持續到去年,但最近,恨的成分大大減小了。讓我們回到2009年夏季,我當時在好幾個星期內都在等AMD的電話。

          我們都知道,RV870將要在09年底的某個時候發布,我們通常在得到新產品硬件的前1個月進行新產品的簡報。那時謠言說,這次發布已經被推遲,但就像鐘表準時一樣,我在去年6、7月間接到AMD電話。這是我的老朋友,AMD PR:Chris Hook。

          這一次,他希望我去參加在加利福尼亞海岸邊一艘航母上舉行的發布會(嘆氣……)。

          這并不是說我對航空母艦本身有任何意見,當時我腦中所關心只有期待已久的RV770繼任者。RV770毫不含糊地恢復了我對ATI圖形芯片的信心,當時其它媒體人也有類似的感覺。但我當時覺得在航母上發布新產品并非正式。但是, AMD公司向相關單位和其合作伙伴承諾,他們將邀請大量全球重要媒體參加發布會。我們也從AMD那里獲得了保證,即可以和相關技術工程師交流,獲得有用的信息。

      美國海軍大黃蜂航母, HD 5800 GPU就在那里

      晚宴 - 2009年9月

          我不得不早些離開。華碩董事長施崇棠在我離開奧克蘭之前,恰巧有機會和我見面。每當我們恰好是在同一個城市,我們會盡最大努力滿足我們見面的需求,我是不會讓他失望。同樣,史蒂夫喬布斯是成功的,因為他是一個心里裝滿產品的家伙,運行著以最好的產品著稱的公司。施崇棠是心里裝滿工程的家伙,他開辦著在工程方面卓越知名的公司-Asus。這不只是又一次例會,這是一次見面會,見面的2個人有著相同的熱忱。施崇棠的重點不是賺錢,是工程,這是一個難得的享受。

          我的車在外面等我,我關閉我的筆記本電腦,確保我已經保存了晚餐上記錄的13頁內容。之后我就和下面這個人握手:

          在我離開之前,他要求我做一件事。他說:“盡量不要把我加入故事當中。大量工程師勤奮工作才讓這款芯片真正問世。”和Jonney一樣,Carrell Killebrew有他自己的特點,使他在這個行業成為完全少有的家伙,偉人都是這樣。他們都擁有自己的歷史,并把他們帶到的他們現今工作的公司,他們今天的工作,他們的人格特質加以組合,讓以他們有自己獨特的氣質。對于Carrell Killebrew來說,他集智慧,務實,熱情和謙恭于一身,這是非常罕見的。他也是一個真正的好人。

          Carrell Killebrew并沒有參與研發RV870,但他幫助RV870取得成功。下面是RV870故事一小部分。盡管這篇文章超過8000字,我還是將其稱作是一小部分,因為數百名工程師研發RV870多年,其中的故事無法在此一一講述。RV870和業內其它所有GPU產品一樣,都是業內最優秀工程師畢生的心血作品。他們是我們行業的英雄,我希望能公平公正地講述他們的故事。

          為了展示RV870的研發歷程,我們必須從幾年前講起,一個全新的圖形處理器從研發到上市可以花費2至4年時間。因此,要了解這款Radeon HD 5800系列(RV870)產品,我們要從2005年開始回顧。

      命名花絮

          AMD公司在上代圖形處理器上,就希望擺脫傳統的命名方式。據AMD稱,不存在所謂的RV870圖形處理器,盡管在過去幾年當中, Carrell Killebrew、Eric Demers等無數人提到它。如同大多數的變化,我們通常需要一段時間來適應,因此,盡管RV870并不存在,我們這些人還是習慣性地稱呼Cypress(Radeon HD 5800系列)為RV870。

          為什么AMD要改變命名規則呢?因為讓一個GPU家族的每個成員都有一個單獨的名稱,這樣可以讓競爭對手產生混淆。我們可以很容易地知道,RV870是RV770的接班人,但是,我們很難描述Cypress到底是個什么東西。

          下面的圖表給出了AMD 40納米DX11 GPU的全部陣容及其研發代號:

      GPU Codename
      ATI Radeon HD 5900 Series Hemlock
      ATI Radeon HD 5800 Series Cypress
      ATI Radeon HD 5700 Series Juniper
      ATI Radeon HD 5600/5500 Series Redwood
      ATI Radeon HD 5400 Series Cedar

      在RV5xx之前ATI沒有真正做好這件事情,而這個家族嚴重的延期改變了這一切。它真正意義上強行限制了功能蔓延,要知道硬件的缺陷比軟件要糟糕的多(芯片越大越不好調試和銷售)。

      PRS文件

          在ATI那里,有一個文件名為產品需求規格的文件,簡稱PRS,這本來是一個大的文本文件,用Word撰寫。

          該文件的目的是為正在設計的GPU收集所有必須加入的功能,并嘗試加以排序。這個文件當中有一系列第一優先的功能,通常情況下,第一優先的功能很少會被廢止。文件當中接下來的是第2優先,第3優先,第4優先等功能。數字越大,被加入最終GPU的可能性就越小。

          當Carrell Killebrew首次加入ATI,他當時的老板Dave Orton就讓他負責修改這個文件。Dave Orton要求Carrell仔細修訂這份文件,它是ATI圖形芯片未來希望的一份清單。這份文件將市場需求和研發能力結合,Dave Orton希望這份文件讓市場部和研發部所有人為其買賬,并按照文件規定的內容去做事。

          Carrell于2003年加入ATI,但ATI制定PRS文件的方式在2005年之前一直沒有變化。直到2005年。

      R5xx如何改變ATI

          在RV770的故事中,我談到了關于因為ATI的R520延期如何產生了連鎖反應而影響了一切,這種影響一直持續到R600(包括R600)。在ATI R5xx的同一時期(2005年),ATI從根本上改變其設計理念,即ATI由市場時間表來驅動。

      ATI R520的架構,這個架構延期上市

          市場通常有很大的凸點,你最好可以駕馭這些凸點,比如每年第四季度的圣誕節假期,或DirectX 和Windows新版本的發布,這些都是在市場上重要的凸點。OEM筆記本電腦設計周期也很重要,您的產品必須和其保持一致。你必須在這些凸點有所行動。 ATI的Eric Demers(現為AMD圖形部門的首席技術官)對以上現象有所總結:如果你不出現在戰斗當中,默認情況下,你就輸掉了戰斗。

          ATI轉向由市場時間表來驅動,意味著圖形芯片功能列表必須受到控制。這意味著Carrell不得不做一個令人難以置信的工作,即起草PRS文件。

          這些轉變的結果就是所謂“80%規則”,即PRS清單上的功能按時出現的可能性只有80%。每個人,每一個高級工程師都參與其中。市場營銷和產品經理們有機會要求他們想要的,但是不會得到如期在產品上實現的承諾。

          這種規則改變了很多東西。

          首先,它增加了工程團隊信心水平。“80%規則”有人性的一面,讓工程團隊每一個人免于喪失信心和執行力,有助于提升士氣和信心,讓工程師更加熱情地來嘗試達到生產部門制定的這些目標。

          第二個變化是,PRS文件上列出的功能更容易被廢棄。PRS文件當中通常會列出200多項預期功能,但是在ATI R5xx之后,PRS文件上最終功能清單通常在80個左右。

          在過去,ATI都會想辦法適應新功能和客戶的新要求,但R5xx的改變意味著如果某個功能會推遲工作計劃,那么就不會加入該功能。最近,Intel也改變了設計政策,指出加入芯片當中的功能必須以1%的功耗增加換取2%的性能提升。ATI現在的設計哲學是任何功能均不能阻礙發布時間表,而在RV5xx之前ATI沒有真正做好這件事情,這個家族嚴重的延期改變了這一切。現在的策略真正意義上強行限制了功能蔓延,要知道硬件的缺陷比軟件要糟糕的多(芯片越大越不好調試和銷售)。

      制造一個巨大的RV870

          雖然Radeon HD 5800系列在去年9月發布,但是ATI早在2006年就是開始討論RV870的架構和制造。

          到2007年,ATI已經拿出EverGreen家族產品的粗略輪廓。 ATI那時對DirectX 11和微軟Windows 7發布時間表已經心知肚明,只是不知道具體發售日期,但ATI知道什么時候開始為DX11和Win7作準備。這將是另一次市場的凸點,ATI必須為此做好準備。EverGreen家族必須在2009年第3季度發布,但是EverGreen家族應“長”成什么樣子呢?

          Carrell希望RV870是另一個RV770。他對他較早之前提出的設計充滿信心,他要產品在功能上苗條和價格是不昂貴的。

       公關通常很不喜歡被媒體追問為什么產品性能不是最強這類話題,特別是在性能為王的市場當中。ATI市場部不再想要另一個RV770,他們希望NVIDIA殺手出現。當時,沒有人知道RV770將是NVIDIA的殺手,他們以為他們只需制造面積龐大的芯片。

      AMD新GPU戰略,但只適用于RV770。

          從2007年8月到11月,Carrell Killebrew非常想撒手不干。因為NVIDIA要造一個大芯片,所以ATI考慮制造一個大尺寸RV870的爭論,的確激怒了Carrell Killebrew。一年之前在研發RV770上,他也為此進行過激烈的思想斗爭。但是,偉大領袖的一個標志,就是真正相信自己。Carrell相信他的RV770策略是正確的。

          大尺寸的RV870對ATI來說或許不是壞事,因為它可以讓習慣小尺寸 RV670、RV770的NVIDIA大吃一驚。

          雖然今天我們知道小芯片戰略的確有用。但是,當時ATI不制造另一個RV770也是合情合理,如果另一個RV770已經有巨大的風險,那么走大尺寸芯片路線又有何妨?此時的ATI需要有清醒的頭腦出現。

      芯片尺寸規模比較

          那么PRS文件最終版并沒有給出芯片尺寸規格。Carrell同意RV870性能至少2倍于RV770。我把這種妥協稱為“跛腳妥協”,因為那時工程團隊把此看作是為建造大尺寸芯片大開綠燈,他們準備興建邊長至少20毫米的芯片,后來他們又因為新功能加入,將邊長規劃提升到22毫米。

          Carrell這時候已經不相信大尺寸芯片。這并不是說大尺寸芯片難以研發制造,問題在于將600美元大尺寸GPU縮減到200美元主流產品太花費時間。AMD公司認為,最重要的市場是性能主流市場,出貨數量和收入可以同比增加。

          Carrell決定先向200美元~300美元的性能主流市場推出新產品和新技術,然后再將產品擴大或者縮減,提供給高端和低端市場。

          RV770 的風險是芯片結構和顯存技術。而RV870的風險在于芯片結構和制造工藝,后者完全超出AMD公司的控制范圍。

          早期Carrell認為,臺積電40納米工藝不夠成熟,其成本將大大高于預期。雖然他現在沒有詳細談及當時的感覺,但是Carrell告訴我,臺積電40納米工藝看上去很美,實則不然。我會在文章后面談到這個問題。

          Carrell勉強贊同一個400+平方毫米RV870的計劃,因為他相信,當工程師清醒過來并認識到成本不會便宜,他們就會有一個新的討論。

          2008 年初,即將進入2月份的時候,臺積電開始放風,暗示ATI對40納米工藝成本不要過于樂觀。工程師從臺積電回來之后說RV870將是相當昂貴的產品,并且再審視一下RV870的架構。

          而這正是他們后來所做的事情。該小組和 Rick Bergman見面,但是被后者的妥協難住了,Rick Bergman堅持RV870的性能必須至少2倍于RV770,但芯片尺寸必須下降。 ATI最終在2008年3月改變了Cypress(高端,單GPU RV870)的架構。

          此時ATI的確展示了他們的風采和兩條信念:一、不要拖延既定時間表,二、停止設計最大尺寸的GPU。然而,為了保持第二條信念,他們不得不犧牲第一條信念。

          你必須明白,在產品發布前一年半去改變一個芯片配置,這意味著搞砸了一切。 RV770發布的時候,RV870的設計應該是塵埃落定,不能有一絲更動。是一成不變的。但是,現在ATI卻必須回去重做RV870的架構設計,這至少需要幾個星期,甚至一兩個月時間,這就影響到RV870既定發售時間表。 ATI不得不極其努力地工作,以盡量減少對發售時間的影響。

          記住,ATI已經定下的政策,即無論如何不能影響發售時間表的政策。因此。工程團隊和Rick Bergman都拿出很大勇氣來接受重新設計RV870所花費的時間。如果你不出現并且戰斗,那么你已經輸定了。這正是ATI同意重新設計Cypress的風險。

          同樣,NVIDIA公司也清楚DX11/Windows 7的發售時間表,NVIDIA公司非常清楚費米需要的功能,因此決定讓費米延后推出,而不是和微軟同步推出產品。AMD冒著延后的風險,以便縮小RV870的尺寸,而NVIDIA公司則是干脆延后,以便制造尺寸更大的圖形芯片。在這點上,兩家公司大相徑庭。

      RV870的實際架構

          此時,ATI工程師撓頭不已,因為RV870尺寸在大幅度縮小的同時,必須提供2倍于RV770的計算能力。因此,功能和架構必須做出改變。

      Carrell失去了他的“珍愛”:不得不向Sideport說再見

          老實說,與Eric Demers和Carrell Killebrew共進晚餐,是我和ATI合作以來的非常好的體驗。

          Eric Demers在晚餐當中,向我詳述了他們如何把RV870尺寸,從400平方毫米削減到334平方毫米,來獲得美妙的最終產品。我打斷了他,我讓他們舉個例子,他們是如何對某項功能忍痛割愛的。通常來說,PR是不會向外人透露他們割舍的功能,他們喜歡談論產品保留下的功能,并且將它們夸大,使一切聽起來像一個精心策劃的行動。幸運的是,我不準他們在我的晚餐上談論市場營銷。

          Eric Demers轉向對Carrell說:“我知道一個特點,我們可以談談。”

          “Sideport”。

          Carrell回答說:“天哪,這完全不公平。” (注意,Carrell這話不像一個少女的聲音,你可以想象工程師來說這句話)

          當ATI第一次和我討論Radeon HD 4870 X2,他們告訴我們一個功能叫做Sideport。每個RV770圖形處理器都可以借此進行GPU-GPU之間的通訊。

      Sideport工作示意圖

          ATICrossFire交火技術在交替幀渲染模式(AFR)當中,兩個GPU無需交互通訊,但是如果你想要讓他們騰出精力進行交互通訊,CrossFire交火性能就會嚴重降低,因此,ATI設計出Sideport這種東西,來緩解交火性能的損失。

          不幸的是,由于功耗等原因,4870x2顯卡從未使用過Sideport功能。 ATI公版設計已經屏蔽Sideport,并且所有的AIB廠商均遵循ATI的公版設計。

          Sideport是Carrell Killebrew最喜歡的功能,現在,他不得不放棄Sideport。

          2008年初,ATI認識到他們不得不將邊長20~22毫米的RV870削減為邊長18mm的芯片,每個人都不得不放棄一些東西,Carrell是小尺寸RV870的極力倡導者。

          我與Carrell在Sideport上的部分談話,應要求沒有記錄下來。不過, Sideport應該是有益于RV870,但它不幸被放棄了,不過,Carrell也告訴我,如果我在某個時候看到Sideport重出江湖,也不要感到驚訝。 Carrell不會輕易放棄Sideport。

      如何做到在6個月時間內發布4款產品

          經過艱苦的工作和犧牲,ATI將RV870尺寸削減到18毫米x 18毫米。問題是,RV770芯片邊長16毫米左右,RV870的尺寸仍然過大。

          Carrell要求進行更多的削減,但是有兩件事改變了他的主意。首先,為了按照RV770尺寸建造RV870所做的功能犧牲超過Carrell的預計,并且將犧牲部分著色核心。

          另外,為了讓GDDR5顯存數據傳輸率達到既定目標,他們必須增加RV870芯片上的模擬物理層面積,如果RV870側邊還維持在16毫米,他們將不得不縮減顯存帶寬或者犧牲著色區面積,這樣我們只能得到性能降低的產品。

          我問Carrell:“16毫米邊長是否可以讓RV870發售價格降低100美元,向便宜的RV770看齊”。而他的回答是不能,我一直到后來才知道為什么不能。

          犧牲性能,以滿足16x16毫米芯片尺寸的目標是不會發生的,但最終說服Carrell順應更大芯片的東西,是要在不到6個月內,發布4款不同的40納米DirectX 11 GPU產品。

          請記住,Carrell一直宣導的理念,即制造最大尺寸GPU,將讓絕大多數客戶花費更長的時間來等待衍生產品。看看NVIDIA花費了多長時間來推出G80或GT200的衍生產品?誰知道,我們什么時候可以看到150美元的費米GF100衍生產品。

          但ATI工程團隊承諾了兩件事。第一,Cypress的衍生產品Juniper,將在同一時間為發布做好準備。第二,Cypress發布之后,ATI還有2個衍生圖形處理器產品可以發布,并且整個Evergreen家族產品將在6個月內完成全部部署。 ATI 2008年在3個月內發布了3款GPU,而4000 系列的第四個成員直到2009年4月才完成發布。

          這不是不可能的事情。ATI在印度、中國都有并行設計隊伍和很多工程技術人員。如果中途沒有bug產生,ATI完全可以將Juniper團隊和Cypress團隊工作銜接,提升家族產品研發效率,并且他們基本上是在相同的硬件上工作(Cypress架構砍掉一半就是Juniper)。

          不過,在Carrell看來,這種行動有巨大風險,并且讓他感覺不舒服。他認為,并行設計同一家族的兩款產品是有風險的。如果一切順利,你就會在同一時間得到兩款產品。如果設計不順,你就將兩個團隊陷在1個產品世代開發上,會讓ATI得到自己的“費米”。

          但是,當工程團隊告訴Carrell,他們認為一切會順利發展,Carrell就給與他們充分的信賴。在Carrell緊張地簽字同意工程團隊的計劃之后,EverGreen家族就誕生了。

          最終,Cypress和Juniper幾乎在同一時間問世。事實上,Juniper準備得更早一些,是對開在ATI發布5000系列幾個月之前,ATI就將Juniper樣品交付給相關的開發者了。Cedar和Redwood也在隨后順利發布,更遑論雙Cypress,即Radeon HD 5970。而這一切都在不到6個月內完成發布。(芯片本身都在4個月內準備完畢)。

          當硝煙散盡,ATI在400美元、300美元、200美元、150美元、100美元和60美元的價格點上都有了DX11新產品,很好地契合了Windows 7/DirectX 11市場凸點。

      邁入40納米的代價

          這部分內容幾乎可以獨立成章,但它對Cypress和整個EverGreen家族產品有直接影響,值得在這里說一說。

          現在你可能已經聽說臺積電40nm工藝存在問題。這些問題現在已經解決,但是這些問題導致了Cypress芯片在去年可憐的產量和慢于預期的部署,它同樣導致NVIDIA Fermi/GF100延遲。我下面想談談邁入40納米工藝的事情,以及40納米工藝為什么那么困難。

          對無晶圓廠的半導體公司來說,最大的問題是,在新產品研發上,你必須對付一打供應商,比如顯存廠商、元件制造商和知識產權廠商,你還必須處理與代工芯片生產商的關系。更糟的是,每一年左右,你的代工合作伙伴就會啟用一個全新的進程讓你使用。

          代工廠商總是以相同的論調來說服你使用他們的新工藝,比如芯片尺寸更小,運行速度更快,能耗更低。你的代工合作伙伴總是希望你盡快購買其最新最貴的制程和工藝。他們要你在實際準備好之前,就掏錢購買他們的工藝。

          但是,通常的情況是在你付錢之后,你的代工廠商會提出設計規則和提示清單給你,如果你遵循所有的準則,代工廠商就保證他們能夠生產你的芯片。換句話說,做我們告訴你去作的東西,你的芯片就會量產。

      Global Foundries 2010年至2011年芯片工藝路線圖

          問題是,如果你遵循這些設計規則和暗示,結果是你的芯片在新工藝上的速度不會比舊工藝更快,產率也不會比舊工藝更高,但是你的成本會更高,因為你在設計芯片的時候輕信了代工廠商的暗示,讓芯片面積膨脹。

          一般工藝節點之間的晶圓大小不會改變。之前200毫米晶圓使用了很長時間,現在才進化到300mm晶圓。晶體管尺寸并沒有縮小,因此從理論上講,每代新工藝晶圓可以容納更多的芯片。

          任何新的制程都存在晶圓成本上升問題,這是由新制程復雜程度決定的。如果晶圓成本高出50%,那么你需要在每片晶圓當中至少多放入50%的芯片,才能讓成本和舊制程持平。現實中,實際上想要多放入50%以上的芯片,因為需要考慮產率問題。如果你遵循代工廠商制定的保證產率的準則,你甚至不會接近收支平衡。

          最終的結果是你從新制程當中的獲益為零。這不是使用摩爾定律來獲利的公司的選擇,當然也不是GPU公司的選擇。

          這種問題的解決之道是,在你的公司有一些非常聰明的人,可以把代工廠商的這些設計規則和暗示歸納分析,并找出哪些可以忽略,以及如何解決剩下的規則和暗示。在這個領域當中,ATI和NVIDIA的做法有很大不同。

      工藝與結構:ATI與NVIDIA之間的差異

          從NV30(GeForce FX)開始,NVIDIA公司就沒有率先采用新工藝和新制程的先例。NVIDIA選擇在芯片架構設計上投入更大的資源,而不是讓大量工程師來對付新工藝和新制程。ATI則是相反,他們不害怕更新的工藝,將更多的工程資源來應付制造方面的問題。這兩種方法都是正確的,他們都有自己的權衡。

          NVIDIA的方法意味著他們在成熟的制程當中也可能翻船,并且意味著在重大進程之間的轉換當中(如55納米到40納米),NVIDIA將沒有競爭力,因為它需要花更多的時間來調整芯片,使其結構更具競爭力。

          NVIDIA公司歷來認為應讓ATI承擔跳躍到一個新工藝或新制程的所有風險。一旦這個新工藝或者新制程成熟,NVIDIA才會遷移到其上。這對NVIDIA公司有好處,但這也意味著,當跳躍到一個新工藝或者新制程上,ATI擁有比NVIDIA更多的經驗。由于ATI比對手更早采用不成熟未經證實的新工藝和新制程,因此ATI需要奉獻更多的工程師來處理新技術和新制程方面的問題,以減輕風險。

          在跟我說話當中,Carrell很快就指出,生產工藝之間的遷移,并不是所謂的“過渡”,因為,過渡意味著從一種技術平滑地漸變到另一中技術。但是,在任何重大晶體管節點技術之間遷移(如55納米到45納米,而不是90納米到80納米),它是更像是跳躍而非過渡。你準備跳躍之前,通常盡量準備跳到你希望的地方,一旦你的腳離開地面,你就沒有什么可以控制了。

          任何制程節點之間的跳躍風險都很大。作為一家半導體制造商的竅門是如何減少這種風險。

          在某些時候,制造商都必須以新的工藝節點制造芯片,否則,往往就會面臨被市場淘汰的危險。比競爭對手落后多代制程,意味著你的芯片業務已經完蛋。現在問題來了,即你如何判斷什么芯片應該采用新制程,什么芯片不應該采用新制程?

          對于這個問題,我們有兩個流派可以選擇:大跳躍或小跳躍。它們之間的差別即你在跳躍當中選擇的芯片尺寸大小。

          小跳躍的支持者們認為,在新制程當中,缺陷密度(晶圓每單位面積的缺陷數量)對跳躍不利,晶圓當中將分布大量的缺陷。為了盡量減少高缺陷密度的影響,芯片尺寸應該盡可能小。

          如果我們有片晶圓,可以容納1000個芯片,其表面有100個缺陷,那么芯片壞損比率為10%。

      假設晶圓有7處缺陷,芯片采用小尺寸設計,那么芯片受缺陷影響的幅度就不大

          大跳躍,自然是相反的。你在新工藝上使用大尺寸芯片設計。現在,不是1000顆芯片分享100處缺陷,而是可能只有200顆芯片分享100處缺陷。即便缺陷均勻分布(實際上不可能),缺陷芯片的可能性暴增到50%。

      假設晶圓有7處缺陷,芯片采用大尺寸設計

          單從產率上看,我們沒有采用大跳躍的理由,但是大跳躍也可能會帶來好處。

          理由很明顯,如果大跳躍芯片(比如干掉競爭對手旗艦產品的產品),可以為你帶來比小跳躍芯片更多的利潤,你何樂不為呢?

          作大跳躍更重要的原因,居然是不作大跳躍的理由。因為,更大的芯片,更容易暴露新制程和新工藝中隱藏的問題,大尺寸芯片面臨著更多的失敗幾率,你就會得到更多的機會,來了解這個工藝當中存在的早期缺陷。

          大跳躍對產品來說非常危險,但是它給你學習的機會,然后可以使用同一制程和工藝來大批量生產未來產品。

          作為第一款40nm圖形處理器,ATI選擇了其路線圖上可以承受的最大尺寸的芯片,這就是RV740(Radeon HD 4770):

      2009年4月發布的第一款40nm產品-ATI Radeon HD 4770

          然而,NVIDIA卻選擇了更小的芯片。雖然RV740面積是137平方毫米, NVIDIA的第一批40納米產品是G210和GT220,面積分別是57平方毫米和100平方毫米。在G210和GT220在它們出生后最初幾個月內只向OEM廠商出貨,我猜想G210在這些訂單當中的百分比更大。請注意,直到GeForce 240發布,NVIDIA 40納米芯片的大小才等于RV740芯片的大小。GT240在2009年11月發布,而Radeon HD 4770(RV740)在2009年4月就已經發布,比GT240提前了7個月。

      NVIDIA第一款40納米圖形處理器在2009年7月出貨

          當ATI和NVIDIA將高性能圖形處理器制造工藝遷移到40nm的時候,ATI公司有更多的經驗,在大尺寸芯片工藝上和臺積電有更多接觸和經驗教訓。

          ATI當時的圖形工程副總裁David Wang,在RV740設計過程當中,打電話給Carrell表達對臺積電40納米工藝的擔心。他擔心制造過程中的金屬處理可能導致芯片的Via質量問題。所謂Via,是指芯片不同金屬層之間的微小連接。當時臺積電40nm的Via失敗率如此之高,影響這一制程的產率和產量。即使Via不會完全失敗,也會降低通過的信號質量。

          David Wang對于臺積電40nm工藝擔心的第二個原因是有關晶體管的尺寸變化。半導體設計當中有成千上萬的尺寸需要你去擔心。無論采用何種制程和工藝,芯片和芯片之間在尺寸上有許多差異,David Wang特別擔心制造晶體管溝道長度的變化。他擔心臺積電40納米工藝在尺寸差異上的問題,將超出ATI公司的忍耐程度。

      1個標準的CMOS晶體管,其尺寸誤差程度有相當嚴格的要求

          臺積電當時試圖讓ATI相信,溝道長度的變異會相對較小,當時Carrell和工程團隊對此都非常緊張,但他們對此也無能為力。

          當時,芯片金屬層之間Via問題容易解決(但代價昂貴)。David Wang決定將RV740芯片當中的Via數量翻倍。在設計中的任何連接兩個金屬層的地方都有兩個Via,這樣就讓RV740的芯片尺寸增加,但是總比芯片不工作要好。但是,溝道長度差異的問題依然存在,沒有立即的解決辦法,這是他們的憂慮,但或許是不合理的恐懼。

          臺積電晶圓去進行RV740初步的流片。當芯片樣品回到ATI,ATI發現它們的工作熱量超出ATI預期,并且它們的漏電問題也超過ATI預期。

          工程團隊立即去工作解決問題,他們將芯片樣品一個一個分析,他們沒有花多長時間就看出晶體管通道的差異度超出最初規定的容忍度。如果晶體管通道差異度到達一定程度,那么生產出來的部分芯片工作頻率低于預期,而其它芯片的漏電問題或許會更加嚴重。

          工程團隊終于想出解決的辦法,通過在RV740設計上做出一些更動,來消滅大多數的漏電問題。但是,性能仍然是一個問題,而RV740由于花費大量時間在如何解決各種生產問題上。不過RV740對ATI來說意義非凡,它為Cypress和其它EverGreen家族產品的成功鋪平了道路。

          至于RV740的曲折道路如何影響NVIDIA公司,我們目前無法給出答案。但是,謠言似乎都顯示,NVIDIA公司在40納米上的經驗根本無法和ATI相提并論。去年12月,NVIDIA公司公開對臺積電表視不滿,并且要求臺積電在Via上做到接近零缺陷。

          費米的謠言也印證了ATI RV740遇到同樣的問題,即產量之低,發熱量之高,工作頻率之低都超過預期。我們現在還沒有看到任何費米出貨的跡象。

          當我問NVIDIA,為什么Fermi/GF100會延期到如此之晚,NVIDIA指出問題出在架構部分,而不是在芯片制造部分。當然,如果Fermi/GF100延期的確是NVIDIA 在臺積電40納米工藝上所付出的代價,那么我預計其繼任者會去更順利的推出。

          這并不是說臺積電不知道如何運行它的代工工廠,但也許該公司在40納米跳躍得有點過頭:

      Process 150nm 130nm 110nm 90nm 80nm 65nm 55nm 40nm
      Linear Scaling - 0.866 0.846 0.818 0.888 0.812 0.846 0.727

          你會記得在 Cypress討論當中,Carrell相信臺積電40納米工藝成本不算便宜。然而當時,無論是在ATI或NVIDIA,幾乎無人贊同Carrell的看法。我問Carrell為什么會有這種情況,為什么他可以知道很多人不知道的內情。

          Carrell將其歸結于他的經驗,并講述了一堆我不能在這里發表的內容。不用說,他對臺積電40納米工藝持更加懷疑的態度。不過,一個團隊當中有懷疑者并非壞事。

      AMD防止間諜:Eyefinity項目完成的過程
       
          Carrell Killebrew對RV870的成功還有一項貢獻,即他一手負責將Eyefinity技術帶入整個EverGreen產品線。

          這個過程是這樣開始的。所有圖形處理器廠商都會去拜訪他們的客戶(OEM),問客戶需要在產品當中加入什么功能。于是筆記本電腦廠商想要一個GPU可以支持6個顯示輸出。雖然他們只需同一時間內有兩個顯示輸出端在工作。兩條輸出鏈路可用于液晶顯示屏,兩個輸出鏈路可以用在外部輸出(VGA+DVI / HDMI),另外兩個輸出鏈路可以連接塢站。

          Carrell認為如果這些輸出引腳不能同時工作,那就是一種恥辱。于是他心中頓時有了一個計劃時,必須讓任何EverGreen顯卡至少可以同時驅動3臺顯示設備,高端EverGreen顯卡甚至可以同時驅動6臺顯示設備。

          他這種想法并非單純出自于瘋狂,Carrell心中一直有一個目標。在接下來的六年中,他希望ATI可以拿出第一代holodeck(全像圖形顯示)業務。第一代holodeck將由一個180度半球形顯示器和精確相位聲音系統組成。當然,我們還需要像素推動力量,使這一切看起來栩栩如生。這需要至少1億像素才能實現,700萬像素在你的正前方顯示,9300萬像素在場景中其它部位顯示。像素數量是一臺30英寸顯示器的25倍。

          我們還沒有到達2016年,所以他不得先從其它地方著手。而Cypress正好是他要的。每片HD 5000系列EverGreen顯卡都可以同時支持最低3臺顯示器最多6臺顯示器。今天,我們知道這項技術的正式名稱是Eyefinity。但內部,Carrell稱之為Sunspot(太陽黑子)。

          Carrell 不希望任何人知道“太陽黑子”這個研發代號。所以他一直沒有把太陽黑子放入PRS文件當中。通過一些非常聰明的操作手法,他設法讓“太陽黑子”隱身于“雷達”之外,即便Cypress工程師已經將PRS文件翻爛。Carrell甚至在RV870縮小芯片尺寸之后,還保守“太陽黑子”這個秘密。他知道,如果有人獲悉還有“太陽黑子”這個功能,工程團隊在縮小芯片的過程當中就瘋狂到殺人。更糟的是,如果親信之外的其它人知道這個東西,NVIDIA可能就會獲知“太陽黑子”,并且有時間將其拷貝到費米當中,當時,Carrell的首要工作就是盡可能保守“太陽黑子”這個秘密。

          不過,后來“太陽黑子”工程從一份名單開始,在這個名單上列出了需要了解太陽黑子的人名,如果你的名字不在名單上,不但你不知道“太陽黑子”工程,而且知道“太陽黑子”工程的人士,也不允在你身邊談論“太陽黑子”工程。當時,ATI有一個內部網站,上面列出了需要了解太陽黑子的名單。

          有關“太陽黑子”的一切,都按名單辦事

          正如我剛才所說的,在名單上的人都嚴禁在不知道“太陽黑子”的人面前談論“太陽黑子”工程。如果你想要在名單當中添加新人,必須得到ATI批準,并且最終由Carrell說了算。

          名單完成后,太陽黑子項目的工程師立即開始研發,只有在絕對必要的時候才讓相關人士加入研發小組。該小組由最初的一個人發展到多人,并最終趨于平穩。而Cypress團隊當中的軟件工程師直到最后一分鐘才知道太陽黑子項目存在。 Carrell只是給他們足夠的時間來為太陽黑子編寫驅動程序和其它相關程序,他們沒有預先得到詳細資料。

          Carrell這時候去找David Glenn,ATI軟件工程負責人,讓他給出完成相關驅動程序和軟件研發的最后日期。David Glenn給了他一個日期,Carrell 然后要求David Glenn給出必須知道太陽黑子工程的相關軟件人員名單,David Glenn給了他三個人名。在這一天,太陽黑子團隊找來這3人,并說“我們需要告訴你一件事”。不用說,沒有人對Carrell的保密感到高興。那時,ATI高層部分人士知道Carrell召集一些人在進行一個項目,但是他們對具體內容一無所知。

      這就是最終讓Eyefinity成功運作的軟件

          在他自己的地盤上,Carrell總是以代碼在談論太陽黑子。他將太陽黑子稱作“功能A”,稱Carrell有充分的理由這樣偏執,坐在Carrell辦公室另一邊的某位人士,在“太陽黑子”項目開始幾個月之后就跳槽到NVIDIA工作。總之,太陽黑子項目研發過程當中,ATI有3人離開并跳槽到NVIDIA工作。Carrell相信,NVIDIA公司當時對“太陽黑子”項目一無所知。

          當時,Carrell對“太陽黑子”的保密的確遇到了棘手問題,為了讓Eyefinity工作,他需要從外部公司獲得支持。如果你還記得,Radeon HD 5800系列發布同時,三星電子宣布超薄邊框顯示器將以1,3或6個面板的配置專門為Eyefinity出貨。當時和諸如三星電子等OEM廠商洽談的時候,根本沒有辦法對“太陽黑子”項目保密。如果說了,那ATI內部可能就會有人泄露“太陽黑子”給NVIDIA,而OEM公司雇員向NVIDIA泄密的事情100%會發生。

          在GPU研發過程當中,諸如“太陽黑子”等項目完全被保密,是聞所未聞的事情。 Carrell甚至開發了一個評級系統。金牌代表到了產品發布,“太陽黑子”可能仍是一個秘密;銀牌代表他們能保持這個秘密,直到他們從臺積電拿回最終芯片;銅牌代表他們能保持這個秘密到最終流片之前,這樣NVIDIA公司在“太陽黑子”項目上將落后AMD一個完整的產品周期。

          最后,AMD公司圖形部門負責人Rick Bergman向Carrell承諾,至少會在“太陽黑子”保密賽當中獲得銅牌。但是他告訴Carrell,當他們獲得RV870最終樣品的時候,他們要對這方面有一次嚴肅認真的談話。

          隨著時間的推移,“太陽黑子”項目的進展,Carrell和研發人員已經得到銅牌。該芯片已流片,沒有人知道Carrell的“寵物”項目。Rick Bergman這時候同Carrell進行了會談,他要求Carnell讓三個能讓ATI真正受益的客戶知道“太陽黑子”項目,這有助于提升ATI的競爭力。

          Carrell不想冒險讓對手知道“太陽黑子”,但他知道,為了要取得成功,他需要在OEM廠商的支持,解決的辦法是簡單地添加有必要知道的原始設備制造商名單,同樣的規則適用于他們,讓他們和AMD簽署一個單獨的保密協議。AMD公司法律專家將“太陽黑子”訂為AMD專有的IP(智慧財產權),如果OEM廠商那里有其它人需要了解“太陽黑子”,他們需要先得到AMD的批準,這樣確保任何泄漏將有跡可尋,可追溯。Carrell為“太陽黑子”分別起了3個不同的名稱分發給需要知道“太陽黑子”項目的OEM廠商。

          在Cypress發布前幾個星期,三家OEM廠商之一的CEO看到Eyefinity,并要求展示給別人。即使是CEO,都需要通過AMD的預先批準。所以令人驚訝的是,三個OEM廠商都嚴格遵守了他們和AMD簽署的NDA協議。——據Carrell所知,“太陽黑子”技術最終沒有泄漏出去。

      NVIDIA的環繞顯示技術需要兩張顯示卡

       

          盡管NVIDIA在今年的國際消費電子展(CES)當中,展示了自己的三重顯示技術,但是,它純粹是一個軟件解決方案,每個GPU仍然只限于兩個顯示輸出。我問Carrell他對NVIDIA公司做法的看法,他一如既往地誠實。

      Eyefinity允許從單一GPU輸出三組顯示信號

          ATI之前也曾經考慮過軟件方案,但最終出于兩個原因否決了軟件方案。在純軟件解決方案當中,你需要有一個多GPU系統。這意味著更昂貴的主板,更高功耗的電源,更麻煩的配置和可能發生的性能問題。

          一種情況是,你有很明顯的不對稱性,因為你的一張顯示卡驅動一臺顯示器,而另外一張顯示卡驅動兩個顯示器。這可能會導致一些奇怪的問題。另一個情況是,你用一張顯示卡驅動三個顯示器,在交替幀渲染模式下,你可通過PCI-E或一個CF / SLI連接器從一張顯示卡把數據傳輸到另外一個顯示卡。但是,Carrell擔心6臺顯示器同時驅動的情況下,不會有足夠的帶寬來滿足數據傳輸的需求。

          而游戲的兼容性問題更使得ATI最終放棄了軟件解決方案,這已經比他們預期好了很多,并且遠勝于軟件解決方案。

          不要小看ATI軟件工程師在這里所作的努力。雖然Carrell 是最初“太陽黑子”三人小組當中的一員,但他不是將“太陽黑子”發揚光大的人士。他坦誠,最重要貢獻來自于ATI的軟件工程小組。“太陽黑子”的軟件功能超過硬件功能。ATI的軟件團隊,盡管沒有被納入到硬件研發當中,但最終還是他們讓“太陽黑子”變成Eyefinity!

          AMD其它部門和其它項目負責人,已經開展向Carrell學習保密方法。我個人認為,Carrell應該到Apple蘋果電腦兼職,教導他們如何保守產品秘密。


      總結

          不同于產品評測文章,我在本文總結部分的文字非常少。沒有什么購買建議,沒有性能總結。即使作為分析文章,對我來說也沒有多少可以總結的東西。當我在寫RV770故事,我確信,ATI已經拿出新的,重新調整的圖形設計方法,現在他們幾乎傾囊而出,將其中的經驗教訓全部用在RV870上。

          RV870的繼任者-Northern Islands(北方群島)圖形處理器,將在今年晚些時候發布。Northern Islands(北方群島)圖形處理器,在RV870勝負未定之前,就已經完成設計。他們當時更不知道費米GF100會延期到這么晚。

          我不知道RV770 到RV870研發歷史當中,有什么經驗教訓可以幫助研發Northern Islands(北方群島)圖形處理器。雖然我們不能斷定ATI未來產品,但我相信,我已經充分了解到AMD圖形部門工作方式。

          Carrell告訴我,做一個產品的過程不是一個合乎邏輯的過程。產品當中的確有邏輯,但產品開發不是一個邏輯的過程。這過程當中沖突并不可怕,可怕的是還沒有數據的時候要先建立起數據。當AMD和NVIDIA公司做一個產品的時候,工程師們并不知道所有的答案,并且他們已有的知識也不大派上用場,產品研發需要概率,權衡和猜測。有時他們猜測是正確的,有時他們猜測是錯誤的。最好的情況是,他們將個人經驗和集體權衡猜測結合,并去執行。多年來,似乎ATI已經學會了如何組織團隊所有成員的力量去構建他們的產品。
       
          圖形團隊的奉獻和在新工藝技術的跳躍經驗,在這一代圖形處理器上已見成效。從由臺積電代工轉到由Global Foundries代工,他們必將再次面臨挑戰,這不只是工藝技術上的問題,這個團隊計劃和執行的能力是公司急需的重點。

          Carrell Killebrew幫助ATI蛻變,過去3代產品已經執行得非常好。不管你是AMD,英特爾或者NVIDIA的粉絲,你必須向對手致敬。過去幾年的時間,為我們展示了AMD圖形部門戲劇性的轉變,從RV670,770和870上扎實的執行力,ATI的轉變值得我們贊許。■

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