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國產(chǎn)GPU的第一縷光：自研架構(gòu)“天狼星”在京亮相

華夏時報（www.chinatimes.net.cn）記者 柳川 陳鋒 北京報道

不久前，對于美國對中國芯片業(yè)的打壓，英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛接受媒體采訪時說：“無法向美國采購GPU芯片，將促使中國自行研發(fā)設(shè)計制造?！?/p>

【資料圖】

黃仁勛的話很快就得到應(yīng)驗。6月15日，國產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”鑒定及發(fā)布會在北京舉辦。據(jù)悉，中天恒星研發(fā)團隊由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計算機工程博士、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”主要有三個技術(shù)優(yōu)勢：突出性價比優(yōu)勢、擁有完全自主知識產(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《華夏時報》記者表示：“很多國產(chǎn)的GPU的IP授權(quán)主要購買自第三方，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)計的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識產(chǎn)權(quán)，也沒有IP的問題，全部是我們自己擁有，從0到完整架構(gòu)的實現(xiàn)都是我們自主的技術(shù)?！?/p>

國產(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，強大的并行計算能力業(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)計算和人工智能。然而，我國GPU芯片基本全部依賴進口。隨著美國不斷加碼限制英偉達、AMD向我國供應(yīng)高端GPU芯片，我國進口GPU也受到極大的限制。

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

中天恒星研發(fā)團隊由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計算機工程博士、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通用計算最早研究人員之一，被譽為“GPU通用計算先行者”。鄧長期從事圖形處理器體系結(jié)構(gòu)、并行計算研究和芯片產(chǎn)品開發(fā)工作；曾設(shè)計出全球第一個基于FPGA的GPU仿真平臺；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級會議和期刊發(fā)表。

據(jù)悉，“天狼星”GPU架構(gòu)有七大亮點：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。四是支持物理真實渲染。五是，包括SIMT獨立指令執(zhí)行單元、以32位浮點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”主要有三個技術(shù)優(yōu)勢：第一、面向億級訂單市場，以獨立顯卡GPU芯片主流產(chǎn)品為突破口，瞄準需求廣闊、增長強勁的億級剛需市場，突出性價比優(yōu)勢；第二、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，以清華大學(xué)超過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、算法模型、原理驗證、硬件實現(xiàn)、驅(qū)動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計。核心架構(gòu)完整知識產(chǎn)權(quán)，已申請專利和著作權(quán)數(shù)百項，數(shù)十項已獲授權(quán)；相關(guān)研究成果發(fā)表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊；第三、完備的交付能力，上下游產(chǎn)業(yè)鏈準備充分，確保產(chǎn)品量產(chǎn)自主可控；芯片設(shè)計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬件接口符合國際標準，確保芯片裝機即可使用，包括操作系統(tǒng)認證等。

對于“天狼星”架構(gòu)，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會秘書長郭奕武向《華夏時報》記者分析：“中天恒星自研架構(gòu)，有這幾個特點：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)，包括在整個儲存器當中的DDR4實現(xiàn)高速存儲，這個設(shè)計也是比較領(lǐng)先的架構(gòu)，中天恒星都用上了?！?/p>

他進一步表示：“這決定了未來的產(chǎn)品用途非常廣泛。中天恒星的切入點在顯示領(lǐng)域，我覺得顯示領(lǐng)域非常廣闊，我相信在黃總的帶領(lǐng)下，中天恒星一定會從架構(gòu)到產(chǎn)品，最后能夠使我們的產(chǎn)品在全球落地。”

逐步量產(chǎn)

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

相較于此，中國國產(chǎn)GPU尚處萌芽期，與國際廠商差距更大。但隨著高端GPU的出口限令，針對中國市場推出的特供版A800也已漲10萬元的高價，國內(nèi)GPU市場需求緊迫。

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

事實上，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)計有幾個地方非常復(fù)雜：一個是架構(gòu)級的設(shè)計，這其實是個統(tǒng)籌的藝術(shù)。GPU本身的資源，難的是如何配合起來實現(xiàn)整體性能最優(yōu)。換言之，如何通過統(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)計保持性能每秒至少30幀，這是一個極具挑戰(zhàn)的地方。二是，架構(gòu)仿真的時間非常長，需要經(jīng)驗也需要直覺，去找出架構(gòu)問題到底出在哪里。這方面也是一個很大的挑戰(zhàn)，需要有多年的積累才能去做這件事?！?/p>

2019年，第一代“天狼星”架構(gòu)芯片設(shè)計驗證完成；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實現(xiàn)量產(chǎn)。

GPU架構(gòu)取名為“天狼星”有著獨特的寓意，中天恒星創(chuàng)始人黃永博士指出：“我們的架構(gòu)全部是以恒星來命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出來有超一流、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。只是因為距離地球更遠，所以看起來沒有天狼星亮；實際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍?！?/p>

據(jù)悉，2024年，中天恒星會繼續(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”。

國際信息顯示學(xué)會北京分會理事長嚴群博士則向《華夏時報》記者表示：“我覺得現(xiàn)在真是一個很好的時機，要抓住它，潮流也在往這個方向走，機會非常多。我們?nèi)绻軌蛑鸩缴先サ脑?，我們不見得會比現(xiàn)在西方的有些國家的東西落后，因為你抓的點是更高層級的點?！?/p>

郭奕武認為：“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，也就是我們所說的GPU。所以我們趕上的時機非常好，未來隨著新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展，這個方面的空間是非常大的?！?/p>