GPU究竟是什么 GPU芯片研发有多难-电子发烧友网

“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?

在落幕的“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。

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。”

关于芯动科技

芯动科技(Innosilicon)是中国一站式IP和芯片定制领军企业，专注于高性能计算GPU、高带宽交换与存储等领域，提供全球各大工艺从55纳米到5纳米FinFET全套高性能IP核和ASIC定制解决方案。公司15年来立足本土发展，所有IP和芯片全国产自主可控，经过200多次先进工艺流片，过50亿颗高端SoC量产，连续十年中国市场份额遥遥领先。芯动是中国唯一受到全球6大顶尖晶圆厂(台积电/三星/格芯/中芯国际/联华电子/英特尔)签约支持的技术合作伙伴，聚焦从28/22纳米、14/12纳米、10纳米、7纳米到5纳米等FinFET/FDX节点，支持了中芯国际、华力等国产先进工艺量产首发。芯动是为数不多圆满完成多项国家重大专项的领军企业，历史客户群涵盖华为海思、中兴通讯、瑞芯微、全志、君正等国内前十设计公司，以及AMD、微软、亚马逊、高通、安盛美等全球知名企业。我们日常所用的轨道交通身份证“刷脸认证”、高清机顶盒、监控摄像、游戏机、手机、平板、全球顶级示波器主控芯片、以及CPU/GPU/NPU等多种先进产品背后都有芯动技术。