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國(guó)產(chǎn)GPU的第一縷光：自研架構(gòu)“天狼星”在京亮相

華夏時(shí)報(bào)（www.chinatimes.net.cn）記者 柳川 陳鋒 北京報(bào)道

不久前，對(duì)于美國(guó)對(duì)中國(guó)芯片業(yè)的打壓，英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛接受媒體采訪時(shí)說(shuō)：“無(wú)法向美國(guó)采購(gòu)GPU芯片，將促使中國(guó)自行研發(fā)設(shè)計(jì)制造。”

【資料圖】

黃仁勛的話很快就得到應(yīng)驗(yàn)。6月15日，國(guó)產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”鑒定及發(fā)布會(huì)在北京舉辦。據(jù)悉，中天恒星研發(fā)團(tuán)隊(duì)由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程博士、清華大學(xué)軟件學(xué)院、微電子學(xué)研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領(lǐng)。此次發(fā)布的“天狼星”主要有三個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：突出性價(jià)比優(yōu)勢(shì)、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、完備的交付能力。

中天恒星聯(lián)合創(chuàng)始人、總架構(gòu)師鄧仰東博士對(duì)《華夏時(shí)報(bào)》記者表示：“很多國(guó)產(chǎn)的GPU的IP授權(quán)主要購(gòu)買自第三方，中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎是完全自主設(shè)計(jì)的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也沒(méi)有IP的問(wèn)題，全部是我們自己擁有，從0到完整架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)都是我們自主的技術(shù)?！?/p>

國(guó)產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”出世

GPU（Graphic Processing Unit）即圖形處理器，是數(shù)字世界圖形內(nèi)容生成的基石，不管是桌面應(yīng)用、游戲、電影、數(shù)字孿生還是元宇宙；與此同時(shí)，強(qiáng)大的并行計(jì)算能力業(yè)已成為各種應(yīng)用加速的主流手段，正廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算和人工智能。然而，我國(guó)GPU芯片基本全部依賴進(jìn)口。隨著美國(guó)不斷加碼限制英偉達(dá)、AMD向我國(guó)供應(yīng)高端GPU芯片，我國(guó)進(jìn)口GPU也受到極大的限制。

6月15日，國(guó)產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”鑒定及發(fā)布會(huì)在北京舉辦?！疤炖切恰庇蓢?guó)內(nèi)企業(yè)中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡(jiǎn)稱中天恒星/ATS）自主研發(fā)。

中天恒星研發(fā)團(tuán)隊(duì)由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程博士、清華大學(xué)軟件學(xué)院、微電子學(xué)研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領(lǐng)。

資料顯示，鄧博士是GPU通用計(jì)算最早研究人員之一，被譽(yù)為“GPU通用計(jì)算先行者”。鄧長(zhǎng)期從事圖形處理器體系結(jié)構(gòu)、并行計(jì)算研究和芯片產(chǎn)品開發(fā)工作；曾設(shè)計(jì)出全球第一個(gè)基于FPGA的GPU仿真平臺(tái)；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級(jí)會(huì)議和期刊發(fā)表。

據(jù)悉，“天狼星”GPU架構(gòu)有七大亮點(diǎn)：一是具有3D圖形引擎+2D圖形加速+視頻引擎。二是自主可控/靈活優(yōu)化的指令集和VLIW/SIMD機(jī)器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/靈活優(yōu)化的指令集，保證GPU芯片迭代的軟件兼容。三是SIMT計(jì)算框架，充分利用圖形應(yīng)用的數(shù)據(jù)并行性。四是支持物理真實(shí)渲染。五是，包括SIMT獨(dú)立指令執(zhí)行單元、以32位浮點(diǎn)ALU為基礎(chǔ)的統(tǒng)一圖形架構(gòu)以及集成寄存器堆、紋理/數(shù)據(jù)緩存。六是延遲聚集式全局線程調(diào)度技術(shù)。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯(lián)架構(gòu)。

此次發(fā)布的“天狼星”主要有三個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：第一、面向億級(jí)訂單市場(chǎng)，以獨(dú)立顯卡GPU芯片主流產(chǎn)品為突破口，瞄準(zhǔn)需求廣闊、增長(zhǎng)強(qiáng)勁的億級(jí)剛需市場(chǎng)，突出性價(jià)比優(yōu)勢(shì)；第二、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以清華大學(xué)超過(guò)10年研究基礎(chǔ)為依托的自研核心架構(gòu)，確保產(chǎn)品迭代自主可控。以基礎(chǔ)理論研究為基礎(chǔ)，從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)開始，從架構(gòu)設(shè)計(jì)、算法模型、原理驗(yàn)證、硬件實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計(jì)。核心架構(gòu)完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已申請(qǐng)專利和著作權(quán)數(shù)百項(xiàng)，數(shù)十項(xiàng)已獲授權(quán)；相關(guān)研究成果發(fā)表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級(jí)會(huì)議和期刊；第三、完備的交付能力，上下游產(chǎn)業(yè)鏈準(zhǔn)備充分，確保產(chǎn)品量產(chǎn)自主可控；芯片設(shè)計(jì)完成全面驗(yàn)證，確保流片成功；軟硬件接口符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，確保芯片裝機(jī)即可使用，包括操作系統(tǒng)認(rèn)證等。

對(duì)于“天狼星”架構(gòu)，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)郭奕武向《華夏時(shí)報(bào)》記者分析：“中天恒星自研架構(gòu)，有這幾個(gè)特點(diǎn)：一是3D圖形渲染。二是指令集的自主可控，這是非常不容易的。三是它的框架結(jié)構(gòu)，包括在整個(gè)儲(chǔ)存器當(dāng)中的DDR4實(shí)現(xiàn)高速存儲(chǔ)，這個(gè)設(shè)計(jì)也是比較領(lǐng)先的架構(gòu)，中天恒星都用上了?！?/p>

他進(jìn)一步表示：“這決定了未來(lái)的產(chǎn)品用途非常廣泛。中天恒星的切入點(diǎn)在顯示領(lǐng)域，我覺(jué)得顯示領(lǐng)域非常廣闊，我相信在黃總的帶領(lǐng)下，中天恒星一定會(huì)從架構(gòu)到產(chǎn)品，最后能夠使我們的產(chǎn)品在全球落地?！?/p>

逐步量產(chǎn)

目前，全球GPU市場(chǎng)主要由英偉達(dá)、英特爾和AMD三家巨頭壟斷，去年四季度獨(dú)立GPU份額分別為85%、6%、9%。其中，人工智能、云端計(jì)算和獨(dú)立GPU主要為英偉達(dá)主導(dǎo)，A100和H100最高浮點(diǎn)算力分別實(shí)現(xiàn)19.5 TFLOPS 和67 TFLOPS。

相較于此，中國(guó)國(guó)產(chǎn)GPU尚處萌芽期，與國(guó)際廠商差距更大。但隨著高端GPU的出口限令，針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)推出的特供版A800也已漲10萬(wàn)元的高價(jià)，國(guó)內(nèi)GPU市場(chǎng)需求緊迫。

在此情形下國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫，國(guó)產(chǎn)GPU廠商近幾年也不斷涌現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)自研GPU的領(lǐng)軍企業(yè)主要是寒武紀(jì)、景嘉微、華為昇騰等。

事實(shí)上，自研GPU架構(gòu)存在極高的技術(shù)挑戰(zhàn)。

鄧仰東分析指出：“GPU設(shè)計(jì)有幾個(gè)地方非常復(fù)雜：一個(gè)是架構(gòu)級(jí)的設(shè)計(jì)，這其實(shí)是個(gè)統(tǒng)籌的藝術(shù)。GPU本身的資源，難的是如何配合起來(lái)實(shí)現(xiàn)整體性能最優(yōu)。換言之，如何通過(guò)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)圖形應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，均衡的設(shè)計(jì)保持性能每秒至少30幀，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的地方。二是，架構(gòu)仿真的時(shí)間非常長(zhǎng)，需要經(jīng)驗(yàn)也需要直覺(jué)，去找出架構(gòu)問(wèn)題到底出在哪里。這方面也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，需要有多年的積累才能去做這件事。”

2019年，第一代“天狼星”架構(gòu)芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證完成；2021年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU誕生；2022年，定義第二代GPU架構(gòu)“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

GPU架構(gòu)取名為“天狼星”有著獨(dú)特的寓意，中天恒星創(chuàng)始人黃永博士指出：“我們的架構(gòu)全部是以恒星來(lái)命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出來(lái)有超一流、卓越的含義。第二代架構(gòu)命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)，所以看起來(lái)沒(méi)有天狼星亮；實(shí)際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽(yáng)的110倍。”

據(jù)悉，2024年，中天恒星會(huì)繼續(xù)優(yōu)化基于“天狼星”架構(gòu)的GPU。2025年，將量產(chǎn)第二代GPU架構(gòu)“大角星”。

國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)北京分會(huì)理事長(zhǎng)嚴(yán)群博士則向《華夏時(shí)報(bào)》記者表示：“我覺(jué)得現(xiàn)在真是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)，要抓住它，潮流也在往這個(gè)方向走，機(jī)會(huì)非常多。我們?nèi)绻軌蛑鸩缴先サ脑?，我們不見得?huì)比現(xiàn)在西方的有些國(guó)家的東西落后，因?yàn)槟阕サ狞c(diǎn)是更高層級(jí)的點(diǎn)。”

郭奕武認(rèn)為：“現(xiàn)在正好是非常好的關(guān)口，即產(chǎn)業(yè)革命和新技術(shù)革命的興起，大家也看到包括云計(jì)算、數(shù)字化、智能汽車、云端到邊緣等等，這些產(chǎn)業(yè)化以后，都需要大算力，也就是我們所說(shuō)的GPU。所以我們趕上的時(shí)機(jī)非常好，未來(lái)隨著新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展，這個(gè)方面的空間是非常大的?！?/p>