第272章 最终验证

全尺寸的晶片测试,比之前简单的测试流程要麻烦的多。之前的测试,只是验证架构可以成功。这次需要测试,各种完整的特徵化数据。

圣诞前夕,极光集团的几大头目,陈一然还有库克,甲骨文的埃里森,贝恩资本的康纳利,以及大通银行的代表在FlowEDA听了高德伟的正式匯报,也第一次看到了两个完整款的摩卡和拿铁晶片。

和之前小单元的测试片不同,这次两个全尺寸版本上面的计算阵列已经是完整版。

测试片只放了一个最小可验证单元,摩卡是16乘16的脉动阵列切片,拿铁是8乘8。

现在这两颗,摩卡的裸片比测试片大了將近三倍,三百二十平方毫米的硅片上密布著完整的脉动阵列和周围一圈SRAM缓存块,PCIe PHY、四组PLL、DMA引擎全在。

拿铁用万果园的40纳米工艺,电晶体本身就比28纳米大,全尺寸撑到了四百八十平方毫米,封装的测试座里金线密度比测试片密了不止一倍。

高德伟把一颗摩卡样品放在桌上,开始正式匯报。

「我们进行了两周的测试,摩卡三十颗样品,拿铁三十二颗。两边都过了全部测试项,没有需要改金属层的问题。

先做的是上电。摩卡的七个独立电源域,我们是按顺序一个一个往上加的,先走核心逻辑的电压,然后接口的,然后PLL模擬的,然后是片上SRAM的独立供电,再到PCIe收发器的,最后是备用IO的。

每加一条电源轨的时候,我们同时拿数字万用表去採样对地阻抗,这个数字要是掉到了零点几欧姆那个范围,那就不用往下测了,说明內部直接短路了。

最终摩卡的第一颗加完之后,对地阻抗稳在了手册中值的3%以內。拿铁那边是五个电源域,比摩卡少两个,它的偏差就大了一点,到了5.7%,但也全都在安全区间。

拿铁的PDK精度一直就比三星的要差一些,不过这个差距从上一轮测试片的时候就已经是这样了,到现在也没继续扩大,所以问题不大。

接著是时钟。摩卡有四组PLL,这四组是各管各的,一组给计算核心供时钟,一组给存储控制器,一组给PCIe,还有一组给內存控制器。

拿铁就没有那么复杂,它一共就两组,因为它的控制逻辑简单很多,不需要配那么多独立的时钟域。

锁相这个事其实就是拿低频的参考时钟往里面灌,然后一步一步地往高了拉频率,每一次步进之后等个0.5毫秒,去看PLL的输出有没有跟上来。

摩卡这边从1.2GHz开始拉的,一直拉到1.6GHz,整个锁相的曲线很漂亮,基本是线性的,四次的步进每一次锁相时间都在0.3毫秒以內。

拿铁从500MHz拉到800MHz这个过程中间在760MHz附近的时候稍微卡了一下,比正常的锁相速度慢了0.15毫秒。

这不是很意外,因为上一轮的拿铁测试片在PLL这块已经出过类似的问题了,当时是锁定范围窄了一大截。这一次更新了PDK之后锁定范围是恢復了,但是这个0.15毫秒的延迟没完全消掉。

我们后来分析了一下,觉得应该是40纳米工艺下面的压控振盪器,它的电感Q值在低频段那个位置建模本身就偏了。

这个东西靠改设计是改不了的,只能等以后万果园那边自己把工艺叠代上去。好在这个不影响功能,不会失锁。

扫描链就比较简单了,就是JTAG往里边灌一串01的序列,让它穿过所有的寄存器之后再读回来。

摩卡的三十颗全部通过了。拿铁的三十二颗里面有两颗在IO环的位置附近回读延迟偏高了大概三个时钟周期,数据倒是没丟。这个不致命,后续量產的时候跟著看就行。

SRAM这一块,上一轮是最让我们头疼的。

摩卡的测试片当时在低压角那个位置出了两个连续的弱bit,这次全尺寸版三个电压角全部通过了,而且当初设计的时候就留了冗余行替换的空间,真出了问题也能修。

拿铁上一轮的问题更麻烦一点,是高频的时候SRAM比特翻转,后来查出来是PDK里边金属通孔的寄生电容参数偏了几飞法,更新了PDK模型之后重新校了一遍,这次测试也是三个电压角全过了。

还有个事我觉得值得说一下。摩卡和拿铁用的是同一个脉动阵列的架构,记忆体接口这块在设计初期就做成了工艺无关的抽象层,两边只换了电晶体的物理实现,没动任何逻辑结构。

所以这次SRAM的通过率一致性比我们当初预期的要高不少,说明架构本身是没问题的。

当初做工艺无关抽象层的时候,其实组里有几个人是反对的,说两边分开优化性能会更好。

但现在回头看,如果不做成抽象层的话,摩卡和拿铁就得各自维护一套存储接口的控制逻辑,到时候哪边出了bug都得单独查,搞不好就变成摩卡在修A问题拿铁在修B问题,两边永远对不齐。

现在这个结果,我觉得当时那一层抽象没白做。

计算单元的功能测试,是过了前面那些电气验证之后才开始的。

我们把预存的矩阵乘法向量加载到片上的SRAM里面,用DMA引擎推进计算阵列,FP32跑一轮,FP16跑一轮,INT8再跑一轮,每一轮都和CPU那边的参考值逐位去比对。

摩卡这边FP32的偏差只有0.15%,INT8的吞吐量到了规格书的103%。拿铁FP32偏差0.24%,INT8吞吐量98%,偏差確实比摩卡大了一点,主要是因为40纳米的乘法器电晶体匹配精度天生就比不过28纳米。

但是这两颗晶片的偏差全都在2%的验收线以內,也都没问题。

然后就是跑完整的网络。因为卷积层和激活函数这些东西组合在一起的时候,硬体上会触发一些不同的控制流路径,比如池化、归一化、跨层的跳跃连接,光是矩阵乘法跑通了不代表这些都没问题。

我们加载了一个三层的卷积网络,又加载了一个小型的残差网络,这两个网是故意设计成不同极端情况的。

三层那个数据结构比较密集连续,数据在片上的SRAM里面不怎么需要频繁地换入换出。残差那个有跨层跳跃,主要是为了测控制逻辑能不能正確地管理好几路数据流同时进出计算阵列。

摩卡这边输出和参考值的均方误差是3.2e-6,拿铁是4.1e-6。

PCIe带宽这块,测的是晶片和外界的管子。

摩卡走的是PCIe 3.0 x16的接口,DMA引擎双向的实际带宽跑到了14.8GB/s。理论的物理层天花板是15.75,但是要扣掉链路的编码开销和事务层的包头,有效带宽的上限大概是14.9左右。

摩卡的14.8离这个天花板差了不到一个百分点,基本上不是瓶颈。拿铁那边走的是PCIe 2.0 x8,跑到了3.6GB/s,理论值是4.0,在预期的范围里面。

功耗特徵化,我们是拿不同比例的负载从0%一直拉到100%,每10%记一次电流,同时用热成像仪去扫描裸片的表面。

摩卡满载的功耗是27.3瓦。上一轮的测试片当时为了稳频被迫提到了0.95V,功耗多了將近10%。

现在这一版回到了標称的0.9V之后,功耗完全落在了30瓦的预算里面,而且27.3这个数字比手册的典型值还稍微低了那么一点,说明28纳米工艺的漏电流控制比我们预期的要好。

拿铁满载是18.7瓦,它面对的设备场景对功耗的要求本来也没那么严,用40纳米工艺能做到这个数字,算是合格了。

热成像的图上两颗晶片的热点都集中在脉动阵列那一块,拿铁在靠近IO环的那一侧有一个小的局部热点,这个是大电流IO驱动器本身的固有发热,不影响功能的。

最后就是长时的压力测试了。

我们在85度的环境温度下面让晶片持续跑全速的矩阵乘法,每十五分钟去採样一次精度和功耗。

摩卡这边整整四个小时没有出过一个错误的bit。

拿铁在三个半小时的时候出过一次bit翻转,但是下一个採样周期就自动恢復了,重新测也没復现。团队判断是单粒子效应,宇宙射线刚好撞了一个SRAM的存储单元,跟晶片本身的设计没关係。

基本情况就是这样。九项测试跑下来,摩卡和拿铁同时通过,所有的偏差都在验收线以內,没有需要修版的问题。这个结果说实话比我预期的要好。

一个三星28纳米,一个万果园40纳米,电晶体的沟道掺杂、金属层数、光刻精度全都不一样。在这么多变量的情况下,同一个脉动阵列架构在两边的测试数据能一致到这个程度,我觉得架构本身的设计已经证明是对的了。

三星那边的封装產线大概四周之后可以出第一批的量產封测片,万果园那边因为40纳米线刚磨合没多久,大概要五周。

设计这边可以直接冻结,我已经让他们准备加密包了。」

陈一然挥挥手让匯报完的高德伟出去,然后看向桌子上的其他人问:「现在看,明年第一季度,一定可以正式量產列装。你们还有什么问题吗?」

康纳利不是专业人士,听了报告也並不是很清楚这个晶片的性能,看了看手中的文件问:「陈先生,所以这个晶片,现在领先多少?可以完全脱离英伟达?」

「市面上最接近的產品是英伟达Kepler架构的Tesla K20X,但是他毕竟是传统的GPU。但是我们这个张量处理器,是专门的张量处理器。

主要不在於性能,在於同等功耗下,我们的晶片更强。当然,现在的设计,只能做推理不能做训练。不过我已经有完整的解决方法了,把256块晶片连成一个训练集群,同时做前向计算和反向传播的梯度聚合,就可以了。

最重要的是,我们的晶片和DeepFlow原生的软硬协同能力。」

一旁的库克看著边上的埃里森问:「只要晶片开始量產,苹果这边需要大量的柜机,希望甲骨文这边可以提前释放產能。我们的各个数据中心都建好了,就等著晶片和柜机了。」

埃里森点点头:「放心吧,我会优先供应苹果的。我还有一个问题啊,这是否意味著,我们要直接和英伟达撕破脸?最近他们挖人挖得很厉害啊。我们的晶片要往外卖还是完全自己用?如果外卖,必须考虑英伟达全面倒向谷歌的情况。」

陈一然直接给了结论:「卖是一定要卖的,否则我们现在的链条太全了,有垄断的嫌疑。但是我们不会卖训练的技术,所以理想状態是,市场上的英伟达还有AMD的晶片用於训练,我们的晶片用於推理。

当然,如果英伟达真的狗急跳墙,全面倒向谷歌。那我们就加大万果园的技术投资,准备全面供应。这里面还有一个问题,单独万果园的產能还有技术,短时间都很难突破28纳米。

所以三星的问题就得解决一下了,要確保他们和我们完全一条心。

况且天天看著他靠著我们股价飆升,我们吃不到好处,这可不行!」

康纳利笑著说:「交给我好了,我们会想办法让他们让出一些股份给极光集团的。」

陈一然想了下说:「极光集团本身盘子就大,当初我还留了一些股份留给战投,三星如果愿意,可以承接一点股份,我们可以交叉持股。

而且,他们得出现金。极光集团马上成立一年了,不能去年估值一千亿,今年估值还是一千亿!」