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，国内初创企业多以威廉希尔官方网站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，高威廉希尔官方网站含量的自有IP的持续演进是威廉希尔官方网站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，而且所有威廉希尔官方网站自研可控，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威廉希尔官方网站。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，其威廉希尔官方网站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、图形芯片内核定制威廉希尔官方网站和先进工艺经验，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威廉希尔官方网站，IP全自主研发，远高于友商。其中，GDDR6/6X、Chiplet Innolink均为GPU业内顶尖威廉希尔官方网站。以GDDR6X威廉希尔官方网站为例，GDDR6X并非简单的超频威廉希尔官方网站，为了数据密度更高，它使用了32位并行单端PAM4威廉希尔官方网站，比业界常见的串口差分PAM4威廉希尔官方网站，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威廉希尔官方网站可满足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威廉希尔官方网站更低一些。 GDDR6X显存威廉希尔官方网站研发难度极高，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并行威廉希尔官方网站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，仅凭有限的远程威廉希尔官方网站支持，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威廉希尔官方网站。这都是基于芯动科技团队十多年的威廉希尔官方网站基础积累和200次流片打磨的经验。此外，为了保持威廉希尔官方网站的领先，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威廉希尔官方网站大咖。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威廉希尔官方网站积累，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芯片威廉希尔官方网站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威廉希尔官方网站合作伙伴，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)签约支持的威廉希尔官方网站合作伙伴，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威廉希尔官方网站。