国产自主GPU架构“天狼星”在北京亮相

  GPU(Graphic Processing Unit)即图形处理器,是数字世界图形内容生成的基石,不管是桌面应用、游戏、电影、数字孪生还是元宇宙;与此同时,强大的并行计算能力业已成为各种应用加速的主流手段,正广泛应用于科学计算和人工智能。然而,我国GPU芯片基本全部依赖进口。随着美国不断加码限制英伟达、AMD向我国供应高端GPU芯片,我国进口GPU也受到极大的限制。这些多重因素,更加促使国产GPU企业奋起直追。

  6月15日,国产自主GPU架构“天狼星”鉴定及发布会在北京举办。

  出席本次活动的行业领导有:国际信息显示学会中国总裁、fellow、俄罗斯工程院外籍院士、国际信息显示学会北京分会理事长严群博士;上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武;原国家能源局电力可靠性和质监中心副主任胡红升;国家开发投资集团国投委执行总监梁敬东;杭州市上城区国有资本运营集团有限公司总经理陈轰;湖州市南太湖新区招商服务中心章佳辉;OPPO投资部陆宇仟珊;量子创新(北京)信息技术有限公司创始人程全富,副总裁郭松;北京锐马视讯科技有限公司副总裁徐言茂,副总裁肖志刚;北京德风新征程科技股份有限公司副总裁王妙维。

  •GPU架构“天狼星”出世

  GPU架构“天狼星”由国内企业中天恒星科技有限公司(Advanced Technology Stellar,简称中天恒星/ATS)自主研发。

  中天恒星研发团队由卡内基梅隆大学电子与计算机工程博士、清华大学软件学院、微电子学研究所副教授、NVIDIA合作教授邓仰东博士率领。邓博士是GPU通用计算最早研究人员之一,被誉为“GPU通用计算先行者”。邓博士长期从事图形处理器体系结构、并行计算研究和芯片产品开发工作;曾设计出全球第一个基于FPGA的GPU仿真平台;研究成果在ISCA、MICRO、等顶级会议和期刊发表。邓博士撰写多部教材和专著,其中《数字集成系统的结构化设计与高层次综合》入选清华大学及多所大学研究生教材,《异构处理器OpenCL编程导论》是国内GPU异构计算第一部教材,《3-Dimensional VLSI》是三维集成电路的第一部专著。

  “天狼星”GPU架构有几大亮点:一是具有3D图形引擎+2D图形加速+视频引擎。二是自主可控/灵活优化的指令集和VLIW/SIMD机器指令集(ICCD’13);其中,自主可控/灵活优化的指令集,保证GPU芯片迭代的软件兼容。三是SIMT计算框架,充分利用图形应用的数据并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。四是支持物理真实渲染(ACMComputingSurvey’14,SIGGRAPHASIA'14.15)。五是Shader Core(Graphics ProcessingCluster),包括SIMT独立指令执行单元、以32位浮点ALU为基础的统一图形架构(ICCD13)以及集成寄存器堆、纹理/数据缓存。六是延迟聚集式全局线程调度技术(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。七是具有良好性能伸缩性的片上互联架构(MICRO'20、TPDS’21)。

  此次发布的天狼星的主要有三个技术优势:第一、面向亿级订单市场,以独立显卡GPU芯片主流产品为突破口,瞄准需求广阔、增长强劲的亿级刚需市场,突出性价比优势;第二、拥有完全自主知识产权,以清华大学超过10年研究基础为依托的自研核心架构,确保产品迭代自主可控。以基础理论研究为基础,从数学公式推导开始,从架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现、驱动开发等环节全部正向设计。核心架构完整知识产权,已申请专利和著作权数百项,数十项已获授权;相关研究成果发表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊;第三、完备的交付能力,上下游产业链准备充分,确保产品量产自主可控;芯片设计完成全面验证,确保流片成功;软硬件接口符合国际标准,确保芯片装机即可使用,包括操作系统认证:Windows WHQL;API认证:Open GL Conformance Test;外围接口认证:HDMI DP CTS;专业测试认证:PHY layer和LIINK layer;质量体系认证:显卡3C认证(中国)、 日本VCCI 、欧盟CE、 美国FCC。

  •得到业界专家高度认可

  当前,Imagination和Vivante两家公司是主要IP来源,这些IP主要是针对移动应用的GPU内核,不适合桌面应用。此外,购买第三方的IP,难以形成成熟的图形显卡级GPU,核心电路专利无法自控和自主迭代。

  中天恒星联合创始人、总架构师邓仰东博士表示:“很多国产的GPU的IP授权主要购买的第三方。中天恒星的路线有所不同,核心的图形引擎完全自主设计的,所以3D图形引擎这块不涉及到别人的知识产权,也没有IP的问题,全部是我们自己拥有,从0到完整架构的实现,都是我们自主的技术。”

  自研GPU架构存在极高的技术挑战。邓仰东分析指出:“GPU设计有几个地方非常复杂:一个是架构级的设计,这其实是个统筹的艺术。GPU本身的资源,在所谓的uni版的shader,所有的计算资源是一样的,大家都用32比特或者64比特的浮点运算单元,这是一个配合的问题。有很多个核共享L2的cash,然后每个核内有自身的计算单元,还有通往片外的各种通道,实际上片上还有一些针对图形的,比如像纹理的缓存;这些虽然很容易知道是什么样的模块,难的是如何配合起来实现整体性能最优。换言之,如何通过统筹协调,能够适应绝大多数图形应用。在大多数情况下,均衡的设计保持性能每秒至少30帧,这是一个极具挑战的地方。二是,架构仿真的时间非常长,需要经验也需要直觉,去找出架构问题到底出在哪里。这方面也是一个很大的挑战,需要有多年的积累才能去做这件事。”

  GPU架构“天狼星”得到行业专家的高度认可和好评。

  对于天狼星架构,国际信息显示学会中国总裁、fellow、俄罗斯工程院外籍院士、国际信息显示学会北京分会理事长严群博士指出:“现在所有显示器都可以称为被动式显示技术,观看的人对它的信息传输只有接收,没有互动,一旦显示屏加上很多GPU功能,有了沉浸式三维影像呈现、交互体验,那就不是传统的电视了,现在没有人看电视了,特别是年轻人很少有人看电视,这个体验已经被手机端、PAD端等便携设备全部替代了,没有必要看那么大的电视。但是一旦需要有交互体验的时候,我们就会重新回到大屏,重新回到这些有渲染的、真实的、你可以融入其中的体验,这种体验非常不得了。”

  严群博士表示,现在ChatGPT很火,这个人工智能我们认为还是处于幼儿园、小学阶段,但这已经很可怕了,如果有了交互,以后灵魂是在数据里了,这个时候抓取的大数据,不是Chat生成式了,而是交互式GPT,这个时候大数据经过人工智能的学习以后,会远远超过人类的智力和能力,这是真正元宇宙的目标。“

  “我觉得现在真是一个很好的时机,要抓住它,潮流也在往这个方向走,机会非常多。我们如果能够逐步上去的话,我们不见得会比现在西方的有些国家的东西落后,因为你抓的点是更高层级的点。”严群分享道。

  上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武认为:“现在正好是非常好的关口,即产业革命和新技术革命的兴起,大家也看到包括云计算、数字化、智能汽车、云端到边缘等等,这些产业化以后,都需要大算力,也就是我们所说的GPU。所以我们赶上的时机非常好,未来随着新的技术产业革命的发展,这个方面的空间是非常大的。”

  “中天恒星自研架构,有这几个特点:一是3D图形渲染。二是指令集的自主可控,这是非常不容易的。三是它的框架结构,包括在整个储存器当中的DDR4实现高速存储,这个设计也是比较领先的架构,中天恒星都用上了,这决定了未来的产品用途非常广泛。中天恒星的切入点在显示领域,我觉得显示领域非常广阔,我相信在黄总的带领下,中天恒星一定会从架构到产品,最后能够使我们的产品在全球落地。”郭奕武指出。

  •克服重重考验 终将“亮剑”

  依托研发团队多年研究成果,中天恒星从数学公式推导开始,架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现和驱动开发等环节全部正向设计,核心IP完全自主可控,拥有图形GPU完整知识产权,并已申请专利和著作权数百项,其中25项已获授权,相关研究成果发表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊。

  2019年,第一代“天狼星”架构芯片设计验证完成。2021年,第一代“天狼星”架构GPU诞生;2022年,定义第二代GPU架构“大角星”;2023年,第一代“天狼星”架构GPU实现量产。

  GPU架构取名为“天狼星”有着独特的寓意,中天恒星创始人黄永博士指出:“我们的架构全部是以恒星来命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思,引申出来有超一流、卓越的含义。第二代架构命名为大角星;大角星是第二亮的恒星。只是因为距离地球更远,所以看起来没有天狼星亮;实际上,大角星比天狼星更亮,其亮度是太阳的110倍。”

  据悉,2024年,中天恒星会继续优化基于“天狼星”架构的GPU。2025年,将量产第二代GPU架构“大角星”。

  国产自研“天狼星”GPU架构的推出,无疑推动国产GPU芯片朝前迈出一个新的高度。

  当前,美国对中国的科技打压仍在继续,对中国限制供应高端GPU芯片的打压不会减弱。国内的国产替代处在深入推进期,国内下游应用市场采购国内自主可控的芯片的自主性和迫切性更强,这进一步激发中国企业自研GPU芯片的热情,为国产GPU的发展提供了巨大的助力。

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