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首款国产高端GPU芯片来了!GPU市场迎变数

摘要:原标题:首款国产高端GPU芯片来了!GPU市场迎变数 “近几年大火的概念实现都离不开GPU。” GPU IP巨头Imagination中国战略市场及生态副总时昕博士在一场演讲中曾说道。 那究竟什么是GPU呢?维基百科定义,GPU中文名为图形处理器,是一种在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平

原标题:首款国产高端GPU芯片来了!GPU市场迎变数

“近几年大火的概念实现都离不开GPU。”

GPU IP巨头Imagination中国战略市场及生态副总时昕博士在一场演讲中曾说道。

那究竟什么是GPU呢?维基百科定义,GPU中文名为图形处理器,是一种在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上做图像和图形相关运算工作的微处理器。

VR、区块链、3D建模、渲染等一切跟图像有关的处理过程都需要GPU。当下最热门的元宇宙,集以上图像处理需求大成,对GPU的需求也不言而喻。除了图形处理功能,GPU还是目前公认最好的AI加速器,尤其是在云端训练大模型应用场景中。更有意思的是,在自动驾驶的赛道上,GPU也杀了进来:全球GPU龙头英伟达正对接越来越多的车企合作订单。

简而言之,只要有高清画质需求,只要有AI处理需求,就离不开GPU。因此,随着这两大需求的持续增长和巨大的市场想象空间,全球GPU龙头英伟达凭借GPU芯片的优势,市值就高达7410亿美元(约合人民币47198亿元,截至2021年12月23日),晋升为当下全球市值最高的半导体企业。

GPU芯片研发有多难?

GPU需求大,价值高,反观国内芯片企业在该领域却进度缓慢。目前中国在桌面和移动端领域的GPU供应基本被英伟达、AMD、ARM垄断,国产GPU是个巨大的蓝海市场且鲜有企业涉足。

近年来,在市场和国家战略替代的需求下,国内掀起一股“GPU投资热潮”,涌现了一批国产GPU初创企业。尽管投资热度高涨,国内初创企业多以技术难度更低的通用计算型GPU(GPGPU)切入赛道,能做高性能商业化的渲染GPU产品的企业依旧凤毛麟角。

这么重要的芯片为何鲜有国产企业踏足,GPU难在哪里呢?

芯动科技展示的“风华1号”GPU在ICCAD上引发了强烈关注

在12月23日落幕的“中国集成电路设计业2021年会暨无锡集成电路产业创新发展高峰论坛(ICCAD 2021)”上,国内芯片企业芯动科技公开展示了其今年11月最新发布的首款国产高性能4K级显卡GPU芯片——“风华1号”,引发了业内人士的强烈关注,盛赞芯动科技是“中国版的英伟达”。以芯动科技为样本,综合其“风华1号”发布会上的介绍,或能解答这一问题。

芯师爷从不久前举办的“风华1号”发布会上了解到,“风华1号”GPU在多个领域表现上取得了第一,如第一款渲染能力达到5T-10T FLOPS的国产GPU显卡;第一款图形API达到OpenGL4.0以上,并能实际演示4.0 benchmark的GPU;还是第一款支持多路渲染+编解码+AI服务,硬件虚拟化和chiplet可延展的国产GPU等。

芯动云计算总裁敖海先生发布“风华1号”GPU芯片

芯动科技SoC体系架构师何颖提及,单从算力对标的话,采用“风华1号”双芯片的显卡可对标英伟达T4系列产品。换而言之,“风华1号”是一颗“真正”的高端国产GPU芯片,即便是对标全球GPU龙头企业产品也不遑多让。

据芯师爷复盘“风华1号”的研发之路,发现国内企业做GPU主要有两大难,一是难在专利壁垒;二是难在GPU芯片的体系化创新。

在专利壁垒方面,GPU是先进制程数字芯片,对于GPU企业来说,高技术含量的自有IP的持续演进是技术自主和市场竞争优势的保障。但在该领域起步早的全球GPU巨头们已筑建了层层专利保护墙。以GPU架构IP专利为例,就连全球科技领头羊企业苹果,在该领域也绕不开专利授权:苹果从A4到A10X所有处理器芯片都是采用Imagination的IP,到A10之后苹果通过架构授权,有了自己的GPU架构把控,依然是基于Imagination的TBDR架构专利授权,隶属于该架构分支。但一旦架构授权后独立演进了,也就不再被专利卡脖子了。

在GPU芯片设计方面,GPU也绝非简单的芯片设计,其设计较一般芯片更复杂,系统更庞大,涉及面更广。做GPU需要极其专业的团队,团队从前到后要包圆,做到软硬全栈。专业人才要涵盖架构、算法、硬件、软件以及各种验证方式,包括后端、版图、驱动、测试、机械结构、生产、供应链等领域。这意味着,GPU研发团队需要在全链条节点上都配备丰富的量产经验人才,才能完成这样非常商业化的体系。

为何是芯动科技突围而出?

芯动科技从0-1直接突围高端GPU芯片的研发,这样的成果值得溯源与反思:为什么是芯动科技一鸣惊人,突破了国内企业做GPU芯片的困局?

芯师爷了解到,芯动科技是中国一站式IP和芯片定制及GPU领军企业,成立至今已15年。15年间芯动科技作为幕后英雄,为各国产半导体代工厂和300家全球知名客户提供顶尖IP和芯片定制,协助了包括瑞芯微、君正、微软、AMD、亚马逊等知名公司各种芯片量产,而且所有技术自研可控,能持续迭代,不断超越。逾50亿颗先进SoC芯片成功推向市场的背后,比如大家每天用的轨道交通身份证识别和全球顶级示波器,都有用到芯动科技的IP技术。广泛的合作使得芯动科技在To B的圈子非常知名,更值得一提的是,在芯片IP领域,芯动科技还是TSMC 2021全球研讨会认可的唯一大陆合作伙伴,其技术和量产积累之深厚可见一斑。

正是在为各合作伙伴提供IP和芯片定制期间,芯动科技积累了GPU所需要的全套高端IP、图形芯片内核定制技术和先进工艺经验,形成了从工艺到设计,到器件,到量产,到封装,到整机的完整芯片设计验证条流程。这为“风华1号”GPU芯片的研发奠定了稳固的基础。芯动科技SoC体系架构师何颖透露,“风华1号”集成了GDDR6/6X、PCIe 4、Chiplet Innolink、HDMI 2.1 、Display port 、VDAC、PLL、TV Sensor、PUF等高端自研IP技术,IP全自主研发,远高于友商。

其中,GDDR6/6X、Chiplet Innolink均为GPU业内顶尖技术。以GDDR6X技术为例,GDDR6X并非简单的超频技术,为了数据密度更高,它使用了32位并行单端PAM4技术,比业界常见的串口差分PAM4技术,难不止一个数量级,全球除了英伟达,一个公司都做不出来,每个时钟周期可以传输多次数据——数据吞吐量越大,芯片并行计算能力越大,GPU能够同时渲染的像素点越多,画质越清晰。使用GDDR6X技术可满足4K高刷新率画面需求;在提升接口数据传输速率的同时,它实际内核频率甚至可以做到比上一代技术更低一些。

GDDR6X显存技术研发难度极高,目前全球只有英伟达和芯动科技两家拥有。芯动科技GDDR6X研发负责人高专表示,GDDR6X的PAM4并行技术是英伟达与美光在一栋楼里共同研发两年才研发出来,而芯动团队是全球唯一一家,仅凭有限的远程技术支持,只用一年时间就做出来了,连AMD目前都还没有做到成功研发该技术。这都是基于芯动科技团队十多年的技术基础积累和200次流片打磨的经验。

此外,为了保持技术的领先,芯动科技还立足全球和GPU全产业链,持续引入了大量GPU领域顶尖专业人才。

芯动首席算法科学家杨喜乐博士是顶级的架构师,她自从博士毕业之后,曾在英国Imagination公司担任架构师,过去的25年间一直从事GPU核心图形引擎的建模和创新,是全球GPU芯片领域从几何物理渲染到计算引擎领域的知名专家,持有GPU 3D计算机图形学核心领域顶级图形专利共计125项,目前Imagination、苹果等公司最新的核心GPU产品的设计、优化和迭代都离不开她的专利和算法。在芯动科技的邀请下,她回国投身国产GPU图形引擎的持续创新。

芯动首席算法科学家杨喜乐博士

在芯动科技GPU专家团队的努力下,“风华1号”GPU架构目前已在Imagination GPU的架构授权下,自主研发了两代,把原生移动端的架构拓展到了高性能计算、云计算的场景,在架构自主可控上不存在被“卡脖子”风险。

芯动科技DX团队负责人章涛也是其从海外招揽的技术大咖。据悉,章涛是来自前AMD的图形框架开发的领军人物。他表示,“投身芯动开发GPU软件感觉非常棒!芯动团队从老板到员工,都在专心做事。”章涛透露,明年芯动科技就会发布风华显卡Windows操作系统的DX框架。

芯动云计算总裁敖海在“风华1号”发布会上曾这样总结:“‘风华1号’凝聚了芯动科技自有的众多技术积累,又有世界著名GPU公司顶尖人才的联合参与的加持,是芯动人努力和成果的结晶,也是芯动科技完成‘让风华GPU走进千家万户,让大家习惯用国产的GPU办公和娱乐’使命的开端。风华系列GPU赋能国产生态正加紧奋勇向前,目前芯动科技正在加紧与合作伙伴进行‘风华1号’适配调优,在向数据中心和国产桌面GPU 等合作伙伴送样的同时,风华2号和3号已经在路上了。”

写在最后

在半导体供应链面临不确定风险的产业环境下,芯动科技瞄准高速成长的高清画质云渲染和元宇宙需求,推出的“风华1号”正当其时,填补了国产4K级桌面显卡和服务器显卡两大空白,为国产新基建5G数据中心、桌面、元宇宙、云游戏、云桌面等千亿级产业提供了有力支持,值得国产半导体产业为其喝彩。

同时,我们也该注意到,罗马不是一天建成的,发展中的中国GPU产业和国际巨头之间仍有不小的差距。芯动科技选择的是既充满机遇、又充满挑战的GPU市场,未来国产GPU生态的长期发展也需要国产GPU产业链企业的持续支持。

巨大的研发费用和长期资本开支,在已经多年持续盈利的芯动科技看来,并非很大挑战。芯动科技工程副总毛鸣明认为,硬科技要“十年坐得板凳冷”,需要长期打磨,不是像互联网靠砸钱就能成功的,投资人需要非常清楚这一点。长远来看,国产GPU芯片技术突围最终还是需要靠经年累月的迭代和优化, 通过不断试错,走进应用于千家万户的终端产品供应链中取胜。

芯动科技SoC体系架构师何颖也表示:“芯动科技是全球6大晶圆代工厂签约支持的技术合作伙伴,有着众多自研IP和强大稳定的团队执行力,在多年的持续奋斗中,芯动科技在跨工艺研发和供应链能力上极具优势,令合作客户长期受惠。而国产GPU上下游产业链的长期、持续商用也会成为芯动科技GPU芯片发展的强大驱动力。未来,芯动科技将根据产业链客户需求,为风华系列GPU产品找到更多可持续落地场景,完成让风华GPU走进大家生活的使命。”


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