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(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GPU芯片基本全部依賴進(jìn)口。隨著美國不斷加碼限制英偉達(dá)、AMD向我國供應(yīng)高端GPU芯片，我國進(jìn)口GPU也受到極大的限制。這些多重因素，更加促使國產(chǎn)GPU企業(yè)奮起直追。

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。

(資料圖片)

GPU架構(gòu)“天狼星”出世

GPU架構(gòu)“天狼星”由國內(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(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)。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”。鄧博士長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。鄧博士撰寫多部教材和專著，其中《數(shù)字集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與高層次綜合》入選清華大學(xué)及多所大學(xué)研究生教材，《異構(gòu)處理器OpenCL編程導(dǎo)論》是國內(nèi)GPU異構(gòu)計(jì)算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三維集成電路的第一部專著。

“天狼星”GPU架構(gòu)有幾大亮點(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( DATE’12.ICCD"13,TVLSI15)。四是支持物理真實(shí)渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA"14.15)。五是ShaderCore(Graphics ProcessingCluster)，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)(ICCD13)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)(ISCA20、TPDS21、TCAD"21)。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯(lián)架構(gòu)(MICRO"20、TPDS’21)。

此次發(fā)布的天狼星的主要有三個技術(shù)優(yōu)勢：第一、面向億級訂單市場，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、增長強(qiáng)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(jì)、算法模型、原理驗(yàn)證、硬件實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計(jì)。核心架構(gòu)完整知識產(chǎn)權(quán)，已申請專利和著作權(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等頂級會議和期刊；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：Windows WHQL；API認(rèn)證：Open GL Conformance Test；外圍接口認(rèn)證：HDMI DP CTS；專業(yè)測試認(rèn)證：PHYlayer和LIINK layer；質(zhì)量體系認(rèn)證：顯卡3C認(rèn)證（中國）、 日本VCCI 、歐盟CE、美國FCC。

得到業(yè)界專家高度認(rèn)可

當(dāng)前,Imagination和Vivante兩家公司是主要IP來源，這些IP主要是針對移動應(yīng)用的GPU內(nèi)核，不適合桌面應(yīng)用。此外，購買第三方的IP，難以形成成熟的圖形顯卡級GPU，核心電路專利無法自控和自主迭代。

中天恒星聯(lián)合創(chuàng)始人、總架構(gòu)師鄧仰東博士表示：“很多國產(chǎn)的GPU的IP授權(quán)主要購買的第三方。中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎完全自主設(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(shí)現(xiàn)，都是我們自主的技術(shù)。”

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)有幾個地方非常復(fù)雜：一個是架構(gòu)級的設(shè)計(jì)，這其實(shí)是個統(tǒng)籌的藝術(shù)。GPU本身的資源，在所謂的uni版的shader，所有的計(jì)算資源是一樣的，大家都用32比特或者64比特的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，這是一個配合的問題。有很多個核共享L2的cash，然后每個核內(nèi)有自身的計(jì)算單元，還有通往片外的各種通道，實(shí)際上片上還有一些針對圖形的，比如像紋理的緩存；這些雖然很容易知道是什么樣的模塊，難的是如何配合起來實(shí)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(jì)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(yàn)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。”

克服重重考驗(yàn)終將“亮劍”

依托研發(fā)團(tuán)隊(duì)多年研究成果，中天恒星從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)開始，架構(gòu)設(shè)計(jì)、算法模型、原理驗(yàn)證、硬件實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計(jì)，核心IP完全自主可控，擁有圖形GPU完整知識產(chǎn)權(quán)，并已申請專利和著作權(quán)數(shù)百項(xiàng)，其中25項(xiàng)已獲授權(quán)，相關(guān)研究成果發(fā)表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊。

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?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)，所以看起來沒有天狼星亮；實(shí)際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍。”

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”。

國產(chǎn)自研“天狼星”GPU架構(gòu)的推出，無疑推動國產(chǎn)GPU芯片朝前邁出一個新的高度。

當(dāng)前,美國對中國的科技打壓仍在繼續(xù)，對中國限制供應(yīng)高端GPU芯片的打壓不會減弱。國內(nèi)的國產(chǎn)替代處在深入推進(jìn)期，國內(nèi)下游應(yīng)用市場采購國內(nèi)自主可控的芯片的自主性和迫切性更強(qiáng)，這進(jìn)一步激發(fā)中國企業(yè)自研GPU芯片的熱情，為國產(chǎn)GPU的發(fā)展提供了巨大的助力。

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