GPU硬件結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，是長期技術(shù)演進(jìn)的結(jié)果。高級(jí)圖形處理步驟較多，包括頂點(diǎn)處理、光柵化、紋理貼圖等步驟，給予支持的是底層精密復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)。以2018年英偉達(dá)推出的Turing架構(gòu)為例，其包含4608個(gè)CUDA Core（普通運(yùn)算單元，包含1個(gè)INT32單元和1個(gè)FP32單元），576個(gè)Tensor Core（深度學(xué)習(xí)矩陣運(yùn)算單元），72個(gè)RT Core（光追單元）等細(xì)微構(gòu)成，相互協(xié)同工作。英偉達(dá)硬件架構(gòu)每兩年升級(jí)一次，從英偉達(dá)2010年正式推出第一個(gè)完整的GPU計(jì)算架構(gòu)Fermi以來，已經(jīng)迭代5次，每一次都是對(duì)硬件的升級(jí)與改進(jìn)。

算法與生態(tài)是GPU的軟實(shí)力。GPU圖形渲染需要用到計(jì)算圖形學(xué)，計(jì)算圖形學(xué)是一門復(fù)雜的學(xué)科，涉及數(shù)學(xué)、物理等多種知識(shí)。模擬真實(shí)世界是十分困難的，樹葉抖動(dòng)、頭發(fā)絲被風(fēng)吹起、水波蕩漾這樣看似平常的場(chǎng)景，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的背后是大量的圖形算法。軟件生態(tài)是GPU廠商的重要競(jìng)爭屏障。一方面，英偉達(dá)與行業(yè)伙伴形成商業(yè)合作或者互相授權(quán)；另一方面，英偉達(dá)推出供軟件開發(fā)人員使用的CUDA平臺(tái)，形成開發(fā)人員社區(qū)生態(tài)，截至2020年，CUDA已經(jīng)成為全球高級(jí)圖形處理和AI計(jì)算的權(quán)威，影響力堪比IOS，助力英偉達(dá)成為全球GPU龍頭。

圖形處理比AI計(jì)算技術(shù)壁壘更高。功能上，圖形處理和AI計(jì)算本質(zhì)上都是并行計(jì)算，但是圖形處理多了圖形處理相關(guān)模塊，AI計(jì)算可以比作圖形處理的“刪減版”。算法上，圖形處理算法涉及模擬真實(shí)物理世界，需要考慮物理、數(shù)學(xué)等多種問題。GPU比FPGA和ASIC技術(shù)更難。功能上，GPU兼具圖形顯示與AI計(jì)算，性能更強(qiáng)。算力上，GPU內(nèi)核算力更強(qiáng)，GPU做圖形渲染需要雙浮點(diǎn)精度，而僅用于AI計(jì)算的FPGA和ASIC最多只需要單浮點(diǎn)精度。

Intel二十多年多次研發(fā)GPU，仍未成功。英特爾最早的GPU研發(fā)可以追溯到1997年，英特爾通過收購C&；T獲得了2D顯示核心技術(shù)，3D技術(shù)源于擁有20％股權(quán)的Real3D。1998年，依靠Real3D的技術(shù)，英特爾推出了第一款獨(dú)立GPU i740，但后續(xù)因?yàn)檠邪l(fā)結(jié)果不理想等原因，Intel未再繼續(xù)研發(fā)獨(dú)立GPU。2007年，看到英偉達(dá)開啟GPGPU戰(zhàn)略、推出CUDA，英特爾為保持優(yōu)勢(shì)，計(jì)劃重新推出獨(dú)立GPU產(chǎn)品Larrabee，但由于研發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期、性能不佳等原因，Intel于2010年5月宣布取消獨(dú)立GPU研發(fā)計(jì)劃。2020年，Intel又推出了全新的獨(dú)立GPU架構(gòu)Xe，但直到2021年10月，Intel仍未推出自己消費(fèi)級(jí)的獨(dú)立GPU產(chǎn)品。

GPU技術(shù)壁壘極高，國產(chǎn)化之路道阻且長。GPU設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包含硬件架構(gòu)、算法、軟件生態(tài)等多個(gè)組成，缺一不可，壁壘極高，CPU巨頭Intel近二十年多次嘗試踏足高端GPU領(lǐng)域，皆未成功。相對(duì)于FPGA和ASIC，不論是從功能上，還是硬件上，GPU設(shè)計(jì)難度都更高。GPU的自主研發(fā)之路是艱難且漫長的，由于沒有像ARM一樣的第三方IP授權(quán)廠商，GPU設(shè)計(jì)商必須完全自主研發(fā)，從零做起，難度較大。

去年底，本土高端IP和芯片定制企業(yè)芯動(dòng)科技發(fā)布了國內(nèi)首款國產(chǎn)高性能4K級(jí)顯卡GPU芯片——“風(fēng)華1號(hào)”，基于芯動(dòng)自主研發(fā)的全套高端IP，風(fēng)華1號(hào)可以說首次實(shí)現(xiàn)了高性能、全國產(chǎn)，”是一顆“真正”的高端國產(chǎn)GPU芯片。芯動(dòng)科技也被盛贊為“中國版的英偉達(dá)”。

作為中國一站式IP和芯片定制及GPU領(lǐng)軍企業(yè)，芯動(dòng)科技16年來已為各國產(chǎn)半導(dǎo)體代工廠和300家全球知名客戶提供頂尖IP和芯片定制，協(xié)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(chǎn)，而且所有技術(shù)自研可控，能持續(xù)迭代，不斷超越。逾50億顆先進(jìn)SoC芯片成功推向市場(chǎng)的背后，比如大家每天用的軌道交通身份證識(shí)別和全球頂級(jí)示波器，都有用到芯動(dòng)科技的IP技術(shù)。不僅如此，芯動(dòng)科技還是TSMC 2021全球研討會(huì)認(rèn)可的唯一大陸合作伙伴，技術(shù)和量產(chǎn)積累十分深厚。在為各合作伙伴提供IP和芯片定制期間，芯動(dòng)科技積累了GPU所需要的全套高端IP、圖形芯片內(nèi)核定制技術(shù)和先進(jìn)工藝經(jīng)驗(yàn)，形成了從工藝到設(shè)計(jì)，到器件，到量產(chǎn)，到封裝，到整機(jī)的完整芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證條流程。這為“風(fēng)華1號(hào)”GPU芯片的研發(fā)奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

據(jù)悉，“風(fēng)華1號(hào)”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(shù)，IP全自主研發(fā)，遠(yuǎn)高于友商。其中，GDDR6/6X、Chiplet Innolink均為GPU業(yè)內(nèi)頂尖技術(shù)，尤其GDDR6X顯存技術(shù)研發(fā)難度極高，目前全球只有英偉達(dá)和芯動(dòng)科技兩家擁有。單從算力對(duì)標(biāo)的話，采用“風(fēng)華1號(hào)”雙芯片的顯卡可對(duì)標(biāo)英偉達(dá)T4系列產(chǎn)品，已然是國內(nèi)高性能GPU領(lǐng)航產(chǎn)品。

在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈面臨不確定風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，芯動(dòng)科技瞄準(zhǔn)高速成長的高清畫質(zhì)云渲染和元宇宙需求，推出的“風(fēng)華1號(hào)”正當(dāng)其時(shí)，填補(bǔ)了國產(chǎn)4K級(jí)桌面顯卡和服務(wù)器顯卡兩大空白，為國產(chǎn)新基建5G數(shù)據(jù)中心、桌面、元宇宙、云游戲、云桌面等千億級(jí)產(chǎn)業(yè)提供了有力支持，值得國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為其喝彩。同時(shí)，我們也該注意到，羅馬不是一天建成的，發(fā)展中的中國GPU產(chǎn)業(yè)和國際巨頭之間仍有不小的差距。芯動(dòng)科技選擇的是既充滿機(jī)遇、又充滿挑戰(zhàn)的GPU市場(chǎng)，未來國產(chǎn)GPU生態(tài)的長期發(fā)展也需要國產(chǎn)GPU產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的持續(xù)支持。相信在經(jīng)年累月、腳踏實(shí)地的潛心研發(fā)后，國產(chǎn)GPU技術(shù)定能守得云開見月明。

審核編輯：符乾江