為“宅男”定制的超大芯片這次微軟揭開了它的全部“秘密”

張平

距離微軟Xbox Series X游戲主機正式發售已經過去一段時間了，雖然由于缺貨、漲價等因素，有關這款游戲主機的爭議依舊很多。但不得不說，憑借全新設計的SoC和整體架構，XboxSeries X還是帶來了超越之前所有游戲主機的強悍性能和出色的使用體驗。不過，針對這款主機產品，人們也有很多問題，比如SoC架構為什么要這樣設計？它的散熱設計優勢在哪里？為什么沒有開啟所有的GPU單元？在最新的ISSCC會議上，微軟詳細解答了大家關心的諸多問題。

天下苦續航久矣

在2021年2月的ISSCC（國際固態電路會議）上，微軟進行了主題為“Xbox Series X SoC：下一代游戲主機”的演講。在30分鐘里，微軟詳細介紹了Xbox Series X SoC（對于這款處理器下文將簡稱為“X SoC”，而游戲主機下文簡稱為“Xbox X”）的相關內容，雖然其中有關架構和性能的部分信息大家之前應該有過了解，但是更多內容則是微軟首次披露，包括SoC的整個架構平衡、散熱設計、存儲系統以及制造、工藝選擇、成本等方面的內容，依舊有不少值得挖掘的信息。

代號“Scarlett”：XboxSeries X SoC概述

X SoC是微軟近幾年來設計過的最龐大復雜的SoC產品。有關它的一些信息本刊此前有過解讀，因此對重復的內容本文僅做必要的簡介。

X SoC的研發代號是“Scarlett”，這也是微軟選擇臺積電N7制程也就是7nm制程制造的一款SoC產品，整個SoC集成了153億晶體管，芯片尺寸為360.4mm2，兩個邊的長度分別是15.83lmm和22.765mm.

Scarlett內部封裝了移動架構的Zen 2內核，總計8個，整體配置分為2組，每組4個內核，每組內核共享4MBL3緩存，大致的配置方案與AMD面向移動市場的Renoir和Lucien ne處理器類似。GPU方面則采用了RDNA架構，擁有12TFLOPS的算力，通過可伸縮的數據連接結構連接至CPU。整個GPU一共設計了56個計算單元，但是只開啟了其中的52個。

內存方面，整個SoC通過20個16bit通道連接至16GB GDDR6內存，其中10GB是采用了高性能通道設計，可以為游戲提供560G B/s的帶寬。其余6GB帶寬僅為336GB/s，性能較低，適用于非游戲場合或者非內存瓶頸場合。由于帶寬降低，這部分內存的功率也比較低。

視頻編解碼方面，X SoC支持4K或者8K的AVC編解碼、H EVC/VP9HDR的解碼以及AVC HDR的編碼。另外處理器內部還擁有3個音頻協處理器，可以實現MOVAD（支持Opus或者Vorbis），CFPU2頻域處理，以及用于MEC的Logan IP（用于計算多通道回聲消除），并且可以消除麥克風背景噪音等。

安全方面，X SoC內部增加了HSP（硬件安全處理器），并啟用了信任根以及所有加密功能，比如安全硬件加密秘鑰等。當然，HSP也是微軟的Pluton加密體系結構的一部分。另外，其內置的MSP媒體流處理器可以對AES加密的外部媒體設備進行快速加密和解密，其性能足以滿足PCIe 4.0高帶寬的需求。存儲方面，和上一代7200rpm的HDD硬盤相比，Xbox Velocity體系結構在啟用NVMe以及MPS等技術后，大幅度提高加載速度，并為尚未以壓縮格式存儲的游戲節約大約35%的空間。

微軟表示Xbox X和X SoC帶來了相對于上代產品3倍的CPU性能、2倍的GPU性能、1.7倍的內存帶寬、2倍IO帶寬的、2.4倍的每瓦特性能、相同的聲學表現但是同時只有上代產品0.9倍的體積，并且能夠帶來更嚴格的媒體版權保護等。

在大家比較關注的功耗方面，微軟沒有給出太詳細的數據，只說和2013年的芯片相比，X SoC的功耗提高了大約1 5%。有媒體根據微軟的相關數據和實際運行情況給出了估計數據——整個Xbox X的功耗峰值應該在270W左右。這是因為微軟提供了最高315W的電源，考慮到必要的余量，因此主機的功耗應該在270W左右比較合理。在預估的270W中，X SoC應該占據很大一部分，微軟宣稱自己不會在未確定芯片所處的技術環境的前提下提供這款芯片的功耗表現。另外，GDDR6內存和20個內存通道也會占用部分能耗，當然還有SSD。因此合理估計的話，X SoC和GDDR6內存的功耗大約在225W左右，考慮到16Gbps GDDR6芯片的單個功耗在2.5W左右，那么內存應該為25W，推測出X SoC最大應該可以承受200W左右的功耗。

當然以上只是估計數據，考慮的是SoC滿載的情況，但這樣的狀況在實際使用中是基本不會出現的，即使是運行對計算壓力很大的游戲《戰爭機器5》，Xbox X的實際測試功耗也僅為202W。

臺積電前來助力：XboxSeries X SoC的工藝優化

除了設計方面微軟做出了大量改進外，在制造方面微軟也配合廠商進行了優化設計。一般來說，制造一個處理器可能會有數千個選項，其中所有的選項都會影響到別的選項。廠商需要在這些復雜的配比中找到合適的組合，以生產出擁有最佳性能、最佳頻率、最佳功耗和最佳效率的產品，這都需要不斷嘗試，才能獲得相對出色的數值。

微軟介紹了自己配合AMD和臺積電，在SoC的制造上實施了兩種新方法從而獲得了更出色的產品。其中之一是重新校準并進一步確定針對晶體管頻率和漏電流定義所需的最小電壓值和最小電流值;另一個方法是在定義的搜索空間內找到局部電壓最小值，也就是Vmin。

通過這兩個手段的結合，微軟宣稱SoC的功耗降低了10%-15%，這是純粹從制造角度獲得的收益。但是，這類優化的效果可能取決于耗費的時間以及投資，畢竟不斷測試芯片的電壓和電流值是一個非常麻煩的工作，會占據大量工時，至于微軟具體是如何實施的暫時還不清楚。

產能問題：GPU良率限制

一般來說，較大尺寸的芯片在生產過程中都會不可避免地產生各種缺陷，并且不同的芯片其性能表現也有所不同，對芯片設計和制造而言，就需要做到兼顧性能和缺陷。和臺式電腦、筆記本電腦等產品可以設定多個不同檔次的芯片并使用屏蔽部分單元、降低頻率來實現產品分級有所不同的是，游戲主機往往只有一個硬件配置和一個確定的性能目標，因此在良率控制上需要更為精細地調整。

上文介紹的很多內容主要是涉及性能、噪音和功耗，但是在良率方面，X SoC也非常值得研究。其中一個關鍵內容就是X SoC在架構設計時包含了56個計算單元，但是最終只開啟了52個。有關這一點，微軟在ISSCC上披露了很多詳細的信息。

微軟在這里定義了一個名為WGP的單元，一個WGP單元包含2個GPU計算單元和一些共享資源，因為X SoC擁有56個計算單元，這意味著整個SoC上擁有28個WGP。

微軟宣稱很多已有的芯片可以啟用全部28個WGP，并且GPU部分的目標是提供12TFLOPS的性能。因此微軟在這部分可以選擇2個配置方案：一是選擇1675M Hz下啟用28個WGP，另一個方案則是在1825MHz下啟用26個WGP。

這兩個方案均可以達到12TFLOPS，但是前者頻率較低，這意味著較低的電壓和功耗。微軟提到，如果啟用全部28個WGP，那么總功耗將降低20%。

實際上，節省20%的功耗是相當可觀的，這意味著可以提高每瓦特性能，且擁有提高性能的空間。但是問題在于，受限于芯片良率問題，當所有芯片都啟用28個WGP時，微軟可能沒辦法獲得足夠數量的芯片，這意味著28個WGP的版本可能在經濟學上缺乏意義。

微軟給出的數據顯示，目前使用的臺積電DUV 7nm工藝，其宣稱缺陷為每平方厘米0.09個。簡單計算可知，300mm的晶元擁有706.86mm2，這意味著會有64個缺陷存在，再根據X SoC的面積可知，300mm晶元除去邊緣圓形部分，可以生產大約147個芯片。在這147個芯片中，如果都滿足微軟設定的頻率和功耗數據，再考慮缺陷率，則每個晶元將擁有107個合格的芯片。因此，這部分的收益率就是73%。

當然，這里的計算是理論值。在收益率73%的情況下，考慮到SoC中GPU占據了最大部分，因此缺陷大部分都會發生在WGP上，這使得廠商可以通過禁用這個WGP，來使得整個芯片正常工作。當缺陷發生在非GPU部分，比如CPU或者緩存的話，則整個芯片就會報廢，當然這種概率不是沒有，但的確不高。因此，當缺陷率為每平方厘米0.09個，且同一個芯片上不發生2個缺陷（這種情況不是沒有，但是極少）的情況下，通過禁用2個WGP而選擇只有26個WGP的芯片，可以使得幾乎整個產線上的芯片都可以使用并有效降低接近1/3的芯片成本，顯然這是一筆劃算的經濟賬。

微軟曾經提過這代游戲主機的處理器成本相比Xbox One X高很多，更比2013年的Xbox One高不少（本刊之前的文章做過詳細分析），其原因主要在于較大的芯片面積、更先進的工藝節點、更復雜的生產步驟、更高的晶片價格、更低的良率以及更多知識產權等。因此，以20%的功耗為代價，獲取接近1/3的成本降低是極為劃算的，甚至26個WGP的方案在很大程度上影響了Xbox X的供貨。因為如果采用28個WGP的方案，那么根據現有統計數據，在微軟已經賣出了233萬臺Xbox X的情況下，就需要21800個300mm的晶元（73%良率）。如果采用26個WGP的方案，這個數據會降低至1 6000個。考慮到現在Xbox X等游戲主機缺貨的情況，微軟做出這樣的選擇顯然是非常合適的。

解決芯片散熱問題

所謂熱密度，是指芯片單位面積所產生熱量的數值。這個數值可以用于指代整個芯片，也可以單獨考察芯片的某一部分，尤其是對SoC產品而言。一般來說，芯片熱密度較高的區域，可能會在高負荷工作下呈現極端高溫，且難以快速散發出去，這將導致整個芯片運行不穩定或者影響芯片性能。對芯片設計而言，需要將兩個熱密度較高的區域盡量遠離以避免互相影響，比如CPU和GPU區域，這對芯片設計提出了更高的要求。一般來說，SoC中熱密度最高的區域是GPU，因為SoC的GPU規模大且數據流量也大，晶體管頻繁開關工作會帶來較高的熱量，從而帶來了這個區域相對較高的熱密度。

但是，微軟宣稱X SoC上的情況有所不同——在這款SoC中熱密度最高的區域反而是CPU區域。因為X SoC使用了AMD 2en2高性能核心，它相比上代超高性能功耗比的Jaguar內核有著更高的熱密度，尤其是在游戲負載增加時，CPU內部雙256bit浮點單元是功耗和熱密度最高的區域。

從微軟展示的圖片（下圖）可以看到，當進行某種任務時（微軟沒有說明圖片中SoC正在進行怎樣的工作，是游戲還是專門的負載測試），CPU的浮點區域最高溫度高達87.4。C，接近極值。相比之下，GPU部分的最高溫度更低，為80.9。C。當然，溫暖的高低還取決于硬件的頻率選擇等因素，因此設計人員需要在CPU、GPU以及整體的特性和散熱、噪音等方面找到平衡點。

微軟也表示，由于CPU現在存在溫度過高的情況，因此散熱設備的噪音和CPU的溫度存在顯著關聯。微軟還給出一個數據，那就是CPU對噪音的影響是不成比例的，CPU每多消耗1W功耗，其帶來噪音的能力是GPU的5倍。

因為這種情況的存在，微軟花了更多的時間來進行CPU方面有關頻率、功耗的優化，從而在性能和散熱之間進行權衡。這也是為什么在啟動多線程時系統以3.6GHz運行，而在禁用多線程時系統可以運行在3.8GHz的原因之一。

最佳體驗：在噪音、功耗和散熱方面進行平衡處理

對于任何獨立的系統，比如游戲主機和PC，要在噪音、功耗和散熱等方面達到平衡都類似于求解多維方程，尤其是新系統具有更大的功耗輸出，但同時又嚴格要求設備體積的情況。微軟解釋到，對于Xbox X而言，他們的設計目標是比上一代產品的TDP高15%，但是體積縮小20%，同時在噪音方面和上一代基本相同。

最終的結果是Xbox X相比上代產品的體積減少了10%，但是微軟啟用了三通道并行的散熱設計方案，設計了同時能夠給SoC和內存散熱的一體式均熱板散熱片，用于供電部分、南橋和其他組件散熱的中央機箱氣流擋板，以及用于后部電源的散熱通道。在風扇方面，Xbox X采用的是130mm軸流風扇，使用了三相無刷電機。這種電機的特性是高性能、低噪音以及高可靠性，能夠滿足Xbox X在長期使用中的穩定性和可靠性。

微軟還提供了Xbox X運行時詳細的截面熱成像圖。從這個圖中可以看出，右側的SoC散熱器部分是整個設備散熱壓力最重的區域，中間是氣流擋板，左側則是系統的其余部分，包括帶有10芯片的第二塊PCB。整個Xbox X有2塊PCB，其中一塊包含了X SoC，另一塊則用于所有和10相關的設備、連接等。這一設計可以區隔兩個部分的熱量并提高空間利用率。不過其唯一需要考慮的問題就是電路板之間的連接會產生比較小的熱量，另外它們之間的數據帶寬也需要認真處理。

一點也不浪費：芯片的電源控制優化

一般來說，一個給定的系統，給出電源狀態后，就會得到有關能耗、熱量、噪音以及當前任務所需性能的數據。比如通知系統在峰值狀態下運行，可以盡快完成計算任務，但是會降低能耗比，帶來更多熱量和噪音。

PC會經常改變電源狀態，比如針對不同的情況有不同的電源狀態設置。AMD之前推出了名為CPPC2的技術，允許電源狀態根據不同的使用情況實現連續不斷的變化。但是，游戲主機卻不能使用類似的功能，因此AMD的CPPC2技術和游戲開發者使用主機的方式存在差異。

為此，微軟重新定義了系統的一部分電源狀態，以便為游戲、視頻播放、下載以及其他功能提供正確的電源配置和性能輸出。根據微軟的數據，Xbox X的每個部分都有自己的一組電源狀態。其中，CPU擁有8個電源狀態，GPU擁有5個電源狀態，GDDR內存擁有3個電源狀態，其余內部結構擁有4個電源狀態。整個Xbox X系統就在這些不同的電源狀態內根據需要組合運行。

此外微軟還定義了一些條件，使得開發人員能夠針對給定的功能和性能進行優化工作和測試。在微軟的定義中，游戲運行在1920x1080分辨率下至少30fps是最基本的標準，但是如果開發人員認為系統性能已經超出需求，還可以手動調整電源狀態從而得到不同的性能水平。

微軟給出了一張表格用于展示Xbox X的性能水平和電源狀態的設置信息。可以看到在3D游戲時，所有的性能狀態都設置為最大，因此系統可以完全體現出最高級別的性能數據。在視頻播放中根據不同的視頻格式，系統將會設置為不同的電源狀態和性能級別，其中要求最高的是播放8K@30Hz視頻時，CPU將擁有相當于游戲滿載時27%的電源消耗上限值。另外還有包括后臺下載、連接等待、待機等待等模式。當然，除了微軟給出的數據外，還有包括2D游戲或者獨立游戲這些性能消耗較小的模式，以及系統檢測到某些性能要求極低的情況。

提高能耗比：新的電源管理方式

微軟提及，這次新的SoC設計目標之_就是試圖在SoC上盡可能多的區域實現功耗控制，即使可以節能1%，也能積少成多。此次微軟通過與AMD合作實現了很多新功能，其中很大部分也被使用在AMD的APU和CPU中。從時間上來看，X SoC是當時第一個基于2en2的SoC產品，因此很多技術在其之上的應用具有初創和獨創性。微軟宣稱整個X SoC的能耗控制包括三個關鍵領域，一是電能監視和調節，二是流程優化，三是電源狀態管理，這三者分別帶來了大約10%、10%-15%以及可調范圍的能源節省。

首先來看電能監控和調節部分。微軟在發布會上給出了很多之前在AMD相關產品上已經使用過的功能，包括數字低壓差穩壓器、動態電壓頻率縮放和直流啟動時校準等。實際上AMD在第一代Zen架構的產品中就已經實現了電能監控的相關功能，當時AMD能夠提供給內核內部關鍵路徑能耗有關的額外信息，這樣電壓保護的相關設計就能夠針對給定的工作負載進行優化了。并且，這個功能可以和DLDO穩壓器一起使用，這個穩壓器可以提供基于每個核心實際情況的電壓控制的功能，而不是基于每個AMD定義的ccx。X SoC引入了大量使用Zen 2架構但是面向移動平臺的技術，更類似于Renoir APU。不過，AMD自己也只有到了第二代Lucienne APU上才為移動平臺配備了DLDO功能，類似的功能在桌面平臺已經使用兩代。

另外，DVFS（細粒度動態電壓頻率縮放技術）也是AMD在銳龍和相關APU上使用的—項技術。這個技術不僅能更好地控制CPU頻率，而且可以將電源狀態降低到芯片在目標頻率下所能耐受的最低電壓附近。這樣一來通過DVFS，AMD就可以降低芯片電壓來降低功耗從而提高能耗比，再配合DLDO功能，又能夠在每個核心上精細地實現電壓和功耗控制。此外，DVFS還可以搭配AMD的CPPC2電源狀態以實現更好的效果。

另一個技術是CLDO（芯片低壓降穩壓器）。AMD很少提及這個技術，但是微軟卻給出了其詳細內容。這項技術的目的是用于降低L2和L3緩存的功耗。隨著緩存增大，緩存本身的功耗也成為整個芯片上需要嚴格控制的部分，這一點在移動處理器上還好，因為2en2架構移動處理器的每個ccx只有4MB L3緩存，但是在臺式機上，緩存高達16MB，是X SoC的4倍。因此，這個技術在臺式機上早有應用，在移動設備上也有顯著效果。微軟在這里明確提及了這個功能，但是沒有說明是針對CCX還是每個核心。但無論如何，CLDO還是相當有效且能夠提高性能功耗比的。

最后一個技術則是DC-BTC（電流和電壓容差的啟動時校準）。這個技術比較老了，是AMD在推土機時代開發的，目的是在芯片和組件老化時提供相對合理的電壓加成值。一般來說，芯片長期使用后由于電子遷移和熱效應會老化，通常需要更高的電壓才能達到之前較低電壓的效果。如果沒有DC-BTC控制的話，SoC會在一開始就略微提高電壓，這稱為“老化裕度”，并伴隨著較高的電壓調節容差。這樣做實際上帶來了惡性循環，因為較高的電壓會帶來更高的電子遷移率和發熱量，這樣會導致芯片提前老化。因此，在芯片工作時以某種方式進行老化校準并給予最低限度的電壓加成，可以使得芯片功耗更低，壽命更長，同時提高了性能功耗比。

小小的游戲主機，龐大的系統工程

其實很少有廠商如此詳細地披露自己在研發一款產品中遇到的各種技術選擇和大量的測試情況。之前根據微軟的消息，大家似乎已經了解了Xbox X以及X SoC的各種內容，但是在ISSCC上，微軟又一次給出了更多的內部資料，這又使得我們可以更為深入地了解到微軟是如何在性能、功耗、噪音、體積、成本等諸多因素之間平衡的，甚至包括為什么這樣做以及背后的原因，面臨的選擇都是什么。可以看到，一個看似小小的游戲主機，實際上是一個龐大的系統工程。