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“近幾年大火的概念實現都離不開GPU。”GPU IP巨頭Imagination中國戰略市場及生態副總時昕博士在一場演講中曾說道。

那究竟什么是GPU呢?維基百科定義，GPU中文名為圖形處理器，是一種在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上做圖像和圖形相關運算工作的微處理器。

VR、區塊鏈、3D建模、渲染等一切跟圖像有關的處理過程都需要GPU。當下最熱門的元宇宙，集以上圖像處理需求大成，對GPU的需求也不言而喻。除了圖形處理功能，GPU還是目前公認最好的AI加速器，尤其是在云端訓練大模型應用場景中。更有意思的是，在自動駕駛的賽道上，GPU也殺了進來：全球GPU龍頭英偉達正對接越來越多的車企合作訂單。簡而言之，只要有高清畫質需求，只要有AI處理需求，就離不開GPU。因此，隨著這兩大需求的持續增長和巨大的市場想象空間，全球GPU龍頭英偉達憑借GPU芯片的優勢，市值就高達7410億美元(約合人民幣47198億元，截至2021年12月23日)，晉升為當下全球市值最高的半導體企業。

GPU芯片研發有多難?GPU需求大，價值高，反觀國內芯片企業在該領域卻進度緩慢。目前中國在桌面和移動端領域的GPU供應基本被英偉達、AMD、ARM壟斷，國產GPU是個巨大的藍海市場且鮮有企業涉足。近年來，在市場和國家戰略替代的需求下，國內掀起一股“GPU投資熱潮”，涌現了一批國產GPU初創企業。盡管投資熱度高漲，國內初創企業多以技術難度更低的通用計算型GPU(GPGPU)切入賽道，能做高性能商業化的渲染GPU產品的企業依舊鳳毛麟角。

這么重要的芯片為何鮮有國產企業踏足，GPU難在哪里呢?

在落幕的“中國集成電路設計業2021年會暨無錫集成電路產業創新發展高峰論壇(ICCAD 2021)”上，國內芯片企業芯動科技公開展示了其今年11月最新發布的首款國產高性能4K級顯卡GPU芯片——“風華1號”，引發了業內人士的強烈關注，盛贊芯動科技是“中國版的英偉達”。以芯動科技為樣本，綜合其“風華1號”發布會上的介紹，或能解答這一問題。

芯師爺從不久前舉辦的“風華1號”發布會上了解到，“風華1號”GPU在多個領域表現上取得了第一，如第一款渲染能力達到5T-10T FLOPS的國產GPU顯卡;第一款圖形API達到OpenGL4.0以上，并能實際演示4.0 benchmark的GPU;還是第一款支持多路渲染+編解碼+AI服務，硬件虛擬化和chiplet可延展的國產GPU等。

芯動科技SoC體系架構師何穎提及，單從算力對標的話，采用“風華1號”雙芯片的顯卡可對標英偉達T4系列產品。換而言之，“風華1號”是一顆“真正”的高端國產GPU芯片，即便是對標全球GPU龍頭企業產品也不遑多讓。據芯師爺復盤“風華1號”的研發之路，發現國內企業做GPU主要有兩大難，一是難在專利壁壘;二是難在GPU芯片的體系化創新。在專利壁壘方面，GPU是先進制程數字芯片，對于GPU企業來說，高技術含量的自有IP的持續演進是技術自主和市場競爭優勢的保障。但在該領域起步早的全球GPU巨頭們已筑建了層層專利保護墻。以GPU架構IP專利為例，就連全球科技領頭羊企業蘋果，在該領域也繞不開專利授權：蘋果從A4到A10X所有處理器芯片都是采用Imagination的IP，到A10之后蘋果通過架構授權，有了自己的GPU架構把控，依然是基于Imagination的TBDR架構專利授權，隸屬于該架構分支。但一旦架構授權后獨立演進了，也就不再被專利卡脖子了。在GPU芯片設計方面，GPU也絕非簡單的芯片設計，其設計較一般芯片更復雜，系統更龐大，涉及面更廣。做GPU需要極其專業的團隊，團隊從前到后要包圓，做到軟硬全棧。專業人才要涵蓋架構、算法、硬件、軟件以及各種驗證方式，包括后端、版圖、驅動、測試、機械結構、生產、供應鏈等領域。這意味著，GPU研發團隊需要在全鏈條節點上都配備豐富的量產經驗人才，才能完成這樣非常商業化的體系。

為何是芯動科技突圍而出?芯動科技從0-1直接突圍高端GPU芯片的研發，這樣的成果值得溯源與反思：為什么是芯動科技一鳴驚人，突破了國內企業做GPU芯片的困局。芯師爺了解到，芯動科技是中國一站式IP和芯片定制及GPU領軍企業，成立至今已15年。15年間芯動科技作為幕后英雄，為各國產半導體代工廠和300家全球知名客戶提供頂尖IP和芯片定制，協助了包括瑞芯微、君正、微軟、AMD、亞馬遜等知名公司各種芯片量產，而且所有技術自研可控，能持續迭代，不斷超越。逾50億顆先進SoC芯片成功推向市場的背后，比如大家每天用的軌道交通身份證識別和全球頂級示波器，都有用到芯動科技的IP技術。廣泛的合作使得芯動科技在To B的圈子非常知名，更值得一提的是，在芯片IP領域，芯動科技還是TSMC 2021全球研討會認可的唯一大陸合作伙伴，其技術和量產積累之深厚可見一斑。正是在為各合作伙伴提供IP和芯片定制期間，芯動科技積累了GPU所需要的全套高端IP、圖形芯片內核定制技術和先進工藝經驗，形成了從工藝到設計，到器件，到量產，到封裝，到整機的完整芯片設計驗證條流程。這為“風華1號”GPU芯片的研發奠定了穩固的基礎。芯動科技SoC體系架構師何穎透露，“風華1號”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技術，IP全自主研發，遠高于友商。其中，GDDR6/6X、Chiplet Innolink均為GPU業內頂尖技術。以GDDR6X技術為例，GDDR6X并非簡單的超頻技術，為了數據密度更高，它使用了32位并行單端PAM4技術，比業界常見的串口差分PAM4技術，難不止一個數量級，全球除了英偉達，一個公司都做不出來，每個時鐘周期可以傳輸多次數據——數據吞吐量越大，芯片并行計算能力越大，GPU能夠同時渲染的像素點越多，畫質越清晰。使用GDDR6X技術可滿足4K高刷新率畫面需求;在提升接口數據傳輸速率的同時，它實際內核頻率甚至可以做到比上一代技術更低一些。 GDDR6X顯存技術研發難度極高，目前全球只有英偉達和芯動科技兩家擁有。芯動科技GDDR6X研發負責人高專表示，GDDR6X的PAM4并行技術是英偉達與美光在一棟樓里共同研發兩年才研發出來，而芯動團隊是全球唯一一家，僅憑有限的遠程技術支持，只用一年時間就做出來了，連AMD目前都還沒有做到成功研發該技術。這都是基于芯動科技團隊十多年的技術基礎積累和200次流片打磨的經驗。此外，為了保持技術的領先，芯動科技還立足全球和GPU全產業鏈，持續引入了大量GPU領域頂尖專業人才。芯動首席算法科學家楊喜樂博士是頂級的架構師，她自從博士畢業之后，曾在英國Imagination公司擔任架構師，過去的25年間一直從事GPU核心圖形引擎的建模和創新，是全球GPU芯片領域從幾何物理渲染到計算引擎領域的知名專家，持有GPU 3D計算機圖形學核心領域頂級圖形專利共計125項，目前Imagination、蘋果等公司最新的核心GPU產品的設計、優化和迭代都離不開她的專利和算法。在芯動科技的邀請下，她回國投身國產GPU圖形引擎的持續創新。

在芯動科技GPU專家團隊的努力下，“風華1號”GPU架構目前已在Imagination GPU的架構授權下，自主研發了兩代，把原生移動端的架構拓展到了高性能計算、云計算的場景，在架構自主可控上不存在被“卡脖子”風險。芯動科技DX團隊負責人章濤也是其從海外招攬的技術大咖。據悉，章濤是來自前AMD的圖形框架開發的領軍人物。他表示，“投身芯動開發GPU軟件感覺非常棒!芯動團隊從老板到員工，都在專心做事。”章濤透露，明年芯動科技就會發布風華顯卡Windows操作系統的DX框架。芯動云計算總裁敖海在“風華1號”發布會上曾這樣總結：“‘風華1號’凝聚了芯動科技自有的眾多技術積累，又有世界著名GPU公司頂尖人才的聯合參與的加持，是芯動人努力和成果的結晶，也是芯動科技完成‘讓風華GPU走進千家萬戶，讓大家習慣用國產的GPU辦公和娛樂’使命的開端。風華系列GPU賦能國產生態正加緊奮勇向前，目前芯動科技正在加緊與合作伙伴進行‘風華1號’適配調優，在向數據中心和國產桌面GPU 等合作伙伴送樣的同時，風華2號和3號已經在路上了。”

寫在最后在半導體供應鏈面臨不確定風險的產業環境下，芯動科技瞄準高速成長的高清畫質云渲染和元宇宙需求，推出的“風華1號”正當其時，填補了國產4K級桌面顯卡和服務器顯卡兩大空白，為國產新基建5G數據中心、桌面、元宇宙、云游戲、云桌面等千億級產業提供了有力支持，值得國產半導體產業為其喝彩。同時，我們也該注意到，羅馬不是一天建成的，發展中的中國GPU產業和國際巨頭之間仍有不小的差距。芯動科技選擇的是既充滿機遇、又充滿挑戰的GPU市場，未來國產GPU生態的長期發展也需要國產GPU產業鏈企業的持續支持。巨大的研發費用和長期資本開支，在已經多年持續盈利的芯動科技看來，并非很大挑戰。芯動科技工程副總毛鳴明認為，硬科技要“十年坐得板凳冷”，需要長期打磨，不是像互聯網靠砸錢就能成功的，投資人需要非常清楚這一點。長遠來看，國產GPU芯片技術突圍最終還是需要靠經年累月的迭代和優化, 通過不斷試錯，走進應用于千家萬戶的終端產品供應鏈中取勝。芯動科技SoC體系架構師何穎也表示：“芯動科技是全球6大晶圓代工廠簽約支持的技術合作伙伴，有著眾多自研IP和強大穩定的團隊執行力，在多年的持續奮斗中，芯動科技在跨工藝研發和供應鏈能力上極具優勢，令合作客戶長期受惠。而國產GPU上下游產業鏈的長期、持續商用也會成為芯動科技GPU芯片發展的強大驅動力。未來，芯動科技將根據產業鏈客戶需求，為風華系列GPU產品找到更多可持續落地場景，完成讓風華GPU走進大家生活的使命。”

關于芯動科技

芯動科技(Innosilicon)是中國一站式IP和芯片定制領軍企業，專注于高性能計算GPU、高帶寬交換與存儲等領域，提供全球各大工藝從55納米到5納米FinFET全套高性能IP核和ASIC定制解決方案。公司15年來立足本土發展，所有IP和芯片全國產自主可控，經過200多次先進工藝流片，過50億顆高端SoC量產，連續十年中國市場份額遙遙領先。芯動是中國唯一受到全球6大頂尖晶圓廠(臺積電/三星/格芯/中芯國際/聯華電子/英特爾)簽約支持的技術合作伙伴，聚焦從28/22納米、14/12納米、10納米、7納米到5納米等FinFET/FDX節點，支持了中芯國際、華力等國產先進工藝量產首發。芯動是為數不多圓滿完成多項國家重大專項的領軍企業，歷史客戶群涵蓋華為海思、中興通訊、瑞芯微、全志、君正等國內前十設計公司，以及AMD、微軟、亞馬遜、高通、安盛美等全球知名企業。我們日常所用的軌道交通身份證“刷臉認證”、高清機頂盒、監控攝像、游戲機、手機、平板、全球頂級示波器主控芯片、以及CPU/GPU/NPU等多種先進產品背后都有芯動技術。