拆解苹果M2 Max芯片，被怪物级先进封装看傻…...
来源:芯世相发布时间:2023-06-219600浏览
询问 AI苹果在2022年和2023年相继推出了搭载第二代M2处理器的Mac产品。2023年6月，苹果宣布推出搭载顶级M2 Ultra处理器的Mac Pro和Mac Studio。由于时间安排上的冲突，M2 Ultra在本报告发表时还没有上市（预计近期到货），M2 Ultra的芯片分析计划在今年夏天进行。
M2首次搭载的产品是2022年6月发布的MacBook Pro。八个月后，即2023年2月，Mac系列搭载了M2 Pro和M2 Max，升级了更多CPU/GPU内核数量。2023年6月，M2 Ultra型号上机。此前，2020年发布的M1系列采用了四种型号——M1、M1 Pro、M1 Max和M1 Ultra，所以，现在M2系列已经具有了全部阵容。
图1：2023年2月推出的MacBook Pro的基板，以及M2 Max处理器；来源：techanalye报告
基板左右两侧有两个地方被挖空，挖空部位设有风冷风扇。处理器被一个由风冷风扇的热管连接的散热器所覆盖。
在处理器的右侧和上侧有苹果公司开发的电源IC，基板背面也设有五个苹果开发的电源IC。处理器和电源IC加起来总共有八个芯片，都由苹果开发。处理器上印有"APL1111"的字样，这是M2 Max的处理器类型名称。
图2显示了从基板上拆下M2 Max封装后的情况，封装的端子面和覆盖在封装上的金属LID已被拆除。
图2：从M2 Max封装中拆下的金属LID；来源：techanalye报告
封装的背面具有超过4000个球形凸点。现在越来越多的芯片封装有超过3000个凸点，有些开始在单个封装中超过7000个凸点。
在封装内，不仅搭载了处理器，还搭载了用于提高存储器和特性的各种部件，包括电源增强、提高带宽，以及功能集成所带来的更多凸点。
在M2 Max中，27个小硅电容器被安装在端子之间。以前使用的是陶瓷电容，但苹果公司使用的是硅电容（具有更高的电容），并将它们直接放在处理器上方，以加强电源稳定等特性。
当LID被移除时，封装内出现了五个芯片。在中间的是M2 Max处理器，在处理器的上方和下方，共有四颗LPDDR5芯片，采用模制封装。这四个是相同的：四个LPDDR5中的每一个都有八个硅和两个虚拟硅，这意味着一个LPDDR5封测中有十个硅。
虚拟硅是苹果以外的许多公司都使用的一种技术。顾名思义，虚拟硅是没有任何电路的硅。在M2 Max的情况下，通过将处理器放在中间，在顶部和底部均衡了与内存的距离。在较低型号的M2 Pro中，处理器和封装中的LPDDR5也具有相同的放置关系。
图3显示了从封装中取出的M2 Max。在硅片上，有一个用于连接晶体管和晶体管之间的布线层，图3的右侧显示了包括在移除状态下的布线层。
图 3：从包装中取出的 M2 Max 来源：techanalye报告
即使有布线层，也可以确定大致的内部状态。
在芯片的顶部中央，有8个高性能的CPU核心，在它们的左边是4个高效的CPU核心。换句话说，CPU 共有 12 个内核。在CPU的底部是一个38核GPU。
GPU 的左侧和右侧是 LPDDR5 接口。GPU底部的接口是苹果用于连接M2 Max的专用接口。如果将M2 Max倒置并通过接口处的硅中介层连接，则它将成为M2 Ultra。这是一种行之有效的方法，利用两个M1 Max来创造M1 Ultra。
通过观察整个带有布线层的硅，你可以发现带布线层的硅片上写着硅片类型名称。M2 Max的硅型号名称为“TMNM28”。许多半导体不仅有型号名称，还有制造商的徽标和年份信息，但苹果的许多芯片只有硅型号名称。
表1总结了Apple M2 Max封装中使用的所有硅片的数量、总面积等。自2010年以来，许多融合技术被用于智能手机和个人电脑，如SIP（System In Package，系统级封装），它将处理器和集线器控制器、处理器和内存结合在一个封装中，以及POP（Package On Package，叠层封装技术）、MCP（Multi Chip Package，多芯片封装）和Chiplets。
表 1：M2 Max 封装中的硅；来源：techanalye报告
苹果使用台积电的InFO（集成扇出）等技术，通过将功能芯片和特性芯片组合在一个封装中来形成处理器。它具有一种称为围绕处理器的存储器和支持处理器的硅电容器的结构。相同的结构不仅用于M2 Max，还用于智能手机的“A系列”。M2 Max 的 APL1111 封装总共包含 68 片硅。有33种功能硅和35种特征硅。内部硅的总面积超过2000平方毫米！
表 2 是苹果高性能 CPU 一个内核的放大图。虽然分辨率略有降低，但所有四种产品的尺寸和形状都相同。
表 2：A15 仿生和 M2 系列 CPU（1 核）的放大照；来源：techanalye报告
作者本人几乎拿到了所有的苹果芯片，并对其进行分析。对所有主要部分（如CPU，GPU和接口）都进行了拍照，布线层被剥落以露出内部的晶体管。
M2系列的高性能CPU与面向“iPhone”的“A15 Bionic”相同。M1系列是以“A14 Bionic”为基础的产品。完成一个CPU后，复制内核来扩大性能，进行了可扩展性开发。
据传下一代“M3”将采用3nm制造工艺，但如果是基于“A16 Bionic”(应用4nm制造工艺)的话，也有可能采用4nm。
苹果M2系列不仅是CPU、GPU和NE (Neural Engine)等，很多基础功能电路都复制了A系列，并增加了个数。
图 4 显示了苹果的 A15 Bionic、M2、M2 Pro 和 M2 Max 的关系。图中红框是高性能CPU的内核数，绿框是GPU的内核数。
我们可以看到，M2芯片的CPU与GPU核心数是A15的两倍，M2 MAX的CPU核心数是M2 Pro的两倍，两款芯片的GPU核心数都是M2的两倍。四个芯片很可能从一开始就同时开发，而不是按照发布顺序开发。
不管怎么说，从出货数量最多的A系列开始，慢慢推出高端产品的苹果风格，与面向“iPad”的A系列的过去是一致的。今后的M3、M4应该也会采用同样的风格。
作者还拿到了其他处理器进行分析。其中包括搭载“3D V-Cache”的AMD Ryzen系列和英特尔新生代Xeon等。英特尔的Xeon W9-3495X和Xeon W7-2495X是超越苹果的超级处理器，有接近5000个球形凸点，另外还集成了FPGA，芯片尺寸也是怪物级别。
图5是W7-2495X的封装，图6是芯片概况。
图5
半导体的核心数将不断增加，集成的芯片种类还在不断丰富，不断进化。
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M2首次搭载的产品是2022年6月发布的MacBook Pro。八个月后，即2023年2月，Mac系列搭载了M2 Pro和M2 Max，升级了更多CPU/GPU内核数量。2023年6月，M2 Ultra型号上机。此前，2020年发布的M1系列采用了四种型号——M1、M1 Pro、M1 Max和M1 Ultra，所以，现在M2系列已经具有了全部阵容。
图1：2023年2月推出的MacBook Pro的基板，以及M2 Max处理器；来源：techanalye报告基板左右两侧有两个地方被挖空，挖空部位设有风冷风扇。处理器被一个由风冷风扇的热管连接的散热器所覆盖。
在处理器的右侧和上侧有苹果公司开发的电源IC，基板背面也设有五个苹果开发的电源IC。处理器和电源IC加起来总共有八个芯片，都由苹果开发。处理器上印有"APL1111"的字样，这是M2 Max的处理器类型名称。
01
带有4000多球形凸点
的M2Max封装
图2显示了从基板上拆下M2 Max封装后的情况，封装的端子面和覆盖在封装上的金属LID已被拆除。
图2：从M2 Max封装中拆下的金属LID；来源：techanalye报告封装的背面具有超过4000个球形凸点。现在越来越多的芯片封装有超过3000个凸点，有些开始在单个封装中超过7000个凸点。
在封装内，不仅搭载了处理器，还搭载了用于提高存储器和特性的各种部件，包括电源增强、提高带宽，以及功能集成所带来的更多凸点。
在M2 Max中，27个小硅电容器被安装在端子之间。以前使用的是陶瓷电容，但苹果公司使用的是硅电容（具有更高的电容），并将它们直接放在处理器上方，以加强电源稳定等特性。
当LID被移除时，封装内出现了五个芯片。在中间的是M2 Max处理器，在处理器的上方和下方，共有四颗LPDDR5芯片，采用模制封装。这四个是相同的：四个LPDDR5中的每一个都有八个硅和两个虚拟硅，这意味着一个LPDDR5封测中有十个硅。
虚拟硅是苹果以外的许多公司都使用的一种技术。顾名思义，虚拟硅是没有任何电路的硅。在M2 Max的情况下，通过将处理器放在中间，在顶部和底部均衡了与内存的距离。在较低型号的M2 Pro中，处理器和封装中的LPDDR5也具有相同的放置关系。
02
硅的总面积
大于2000平方毫米
图3显示了从封装中取出的M2 Max。在硅片上，有一个用于连接晶体管和晶体管之间的布线层，图3的右侧显示了包括在移除状态下的布线层。
图 3：从包装中取出的 M2 Max 来源：techanalye报告即使有布线层，也可以确定大致的内部状态。
在芯片的顶部中央，有8个高性能的CPU核心，在它们的左边是4个高效的CPU核心。换句话说，CPU 共有 12 个内核。在CPU的底部是一个38核GPU。
GPU 的左侧和右侧是 LPDDR5 接口。GPU底部的接口是苹果用于连接M2 Max的专用接口。如果将M2 Max倒置并通过接口处的硅中介层连接，则它将成为M2 Ultra。这是一种行之有效的方法，利用两个M1 Max来创造M1 Ultra。
通过观察整个带有布线层的硅，你可以发现带布线层的硅片上写着硅片类型名称。M2 Max的硅型号名称为“TMNM28”。许多半导体不仅有型号名称，还有制造商的徽标和年份信息，但苹果的许多芯片只有硅型号名称。
表1总结了Apple M2 Max封装中使用的所有硅片的数量、总面积等。自2010年以来，许多融合技术被用于智能手机和个人电脑，如SIP（System In Package，系统级封装），它将处理器和集线器控制器、处理器和内存结合在一个封装中，以及POP（Package On Package，叠层封装技术）、MCP（Multi Chip Package，多芯片封装）和Chiplets。
表 1：M2 Max 封装中的硅；来源：techanalye报告苹果使用台积电的InFO（集成扇出）等技术，通过将功能芯片和特性芯片组合在一个封装中来形成处理器。它具有一种称为围绕处理器的存储器和支持处理器的硅电容器的结构。相同的结构不仅用于M2 Max，还用于智能手机的“A系列”。M2 Max 的 APL1111 封装总共包含 68 片硅。有33种功能硅和35种特征硅。内部硅的总面积超过2000平方毫米！
表 2 是苹果高性能 CPU 一个内核的放大图。虽然分辨率略有降低，但所有四种产品的尺寸和形状都相同。
表 2：A15 仿生和 M2 系列 CPU（1 核）的放大照；来源：techanalye报告03
通过复制内核
来扩大性能
作者本人几乎拿到了所有的苹果芯片，并对其进行分析。对所有主要部分（如CPU，GPU和接口）都进行了拍照，布线层被剥落以露出内部的晶体管。
M2系列的高性能CPU与面向“iPhone”的“A15 Bionic”相同。M1系列是以“A14 Bionic”为基础的产品。完成一个CPU后，复制内核来扩大性能，进行了可扩展性开发。
据传下一代“M3”将采用3nm制造工艺，但如果是基于“A16 Bionic”(应用4nm制造工艺)的话，也有可能采用4nm。
苹果M2系列不仅是CPU、GPU和NE (Neural Engine)等，很多基础功能电路都复制了A系列，并增加了个数。
图 4 显示了苹果的 A15 Bionic、M2、M2 Pro 和 M2 Max 的关系。图中红框是高性能CPU的内核数，绿框是GPU的内核数。
图4：A15仿生和M2系列的可扩展结构；来源：techanalye报告
我们可以看到，M2芯片的CPU与GPU核心数是A15的两倍，M2 MAX的CPU核心数是M2 Pro的两倍，两款芯片的GPU核心数都是M2的两倍。四个芯片很可能从一开始就同时开发，而不是按照发布顺序开发。
不管怎么说，从出货数量最多的A系列开始，慢慢推出高端产品的苹果风格，与面向“iPad”的A系列的过去是一致的。今后的M3、M4应该也会采用同样的风格。
04
超越苹果产品
的超级处理器
作者还拿到了其他处理器进行分析。其中包括搭载“3D V-Cache”的AMD Ryzen系列和英特尔新生代Xeon等。英特尔的Xeon W9-3495X和Xeon W7-2495X是超越苹果的超级处理器，有接近5000个球形凸点，另外还集成了FPGA，芯片尺寸也是怪物级别。
图5是W7-2495X的封装，图6是芯片概况。
图5
半导体的核心数将不断增加，集成的芯片种类还在不断丰富，不断进化。
来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「jbpress」，作者：清水洋治
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