GPU又稱圖形處理器，它的歷史要追溯到1972年火遍全美的彈珠游戲機，但真正進入高速發(fā)展期是在2006年，往后GPU的發(fā)展速度達到了摩爾定律的2~3倍。
我們以數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品為例，今天英偉達Ampere架構(gòu)下的云端訓(xùn)練A100顯卡FP32浮點性能19.5T FLOPS，INT8算力1,248 TOPS，而這兩天的消息稱，英偉達的下一代GPU Hopper FP32浮點性能將達到24.2 TFLOPs，幾乎是A100 顯卡的2.5倍。
正因為GPU這些年的高速發(fā)展帶來了技術(shù)壁壘的不斷高筑，GPU戰(zhàn)場三四年前還有很多家，而現(xiàn)在只剩下兩家。高端技術(shù)的壟斷代表了議價權(quán)，現(xiàn)在一張高端的GPU顯卡，市場售價高達十幾萬元，相當(dāng)于一輛普通小轎車的價格。再加上國內(nèi)需求的差異化，巨頭們在定制方面確實存在心力不足的問題，所以GPU自主可控下的國產(chǎn)化勢在必行。
在這樣的大環(huán)境下，近幾年本土GPU廠商如雨后春筍般冒出來。不過真正能出產(chǎn)品，實現(xiàn)量產(chǎn)的也沒幾家，并且算力比較低。比如景嘉微2020開始量產(chǎn)出貨的JM7200單精度算力只有0.5T FLOPS，2021年剛流片回來的JM9231實測浮點算力能達到1.5T FLOPS。所以上個月芯動科技發(fā)布的4K級顯卡GPU芯片“風(fēng)華1號”變得格外搶眼。
圖 | “風(fēng)華1號”參數(shù)一覽
根據(jù)芯動云計算總裁敖海的介紹，“‘風(fēng)華1號'GPU成倍提升了現(xiàn)有國產(chǎn)GPU水平，單芯片A卡渲染能力達到160GPixel/s，F(xiàn)P32浮點性能達到5T FLOPS，AI性能為25TOPS（INT8），3D圖形渲染處理管線定制優(yōu)化，支持Linux/龍芯/Windows/安卓操作系統(tǒng)圖形框架，支持32路SRIOV虛擬化?！?/p>
芯動科技SoC體系架構(gòu)師何穎表示：“如果單從芯片的算力來看，’風(fēng)華1號‘雙芯片B卡的FP32浮點性能達到10T FLOPS，渲染能力達到320GPixel/s，可以對標(biāo)英偉達Tesla T4 GPU（FP32 / 8.1T FLOPS，渲染能力/254.4 GPixel/s）?！?/p>
“GPU賽道足夠大，目前英偉達的市值有七千多億，而芯動科技的目標(biāo)就是做中國的英偉達”，芯動科技工程副總毛鳴明補充道。
后摩爾時代
如何通過GPU架構(gòu)改善功耗問題？
眾所周知，算力和計算平臺的性能不能劃等號，對于GPU來說，能效比是非常重要的性能參數(shù)。據(jù)悉，英偉達下一代顯卡40系列的TGP整卡功耗標(biāo)示為550W，這樣的整機得要多大電源才能帶得動？于是我們自然而然會有一個疑問，為什么GPU發(fā)展了這么長時間，功耗還是一步步增長到了這么大的地步？
“這是因為半導(dǎo)體工藝的極限已經(jīng)快到了，從一百多納米到九十多納米到幾納米的時候，一直還可以線性地降低，降低工藝節(jié)點可以獲得更低的功耗、更高的性能，但是半導(dǎo)體工藝快到摩爾定律的物理極限了，工藝節(jié)點的紅利差不多到頭了，再要提高性能的話，只好把功耗相應(yīng)地變大。我們想做低功耗的顯卡，想做節(jié)能減排，想做綠色，怎么辦？不能在工藝上取得紅利，要在架構(gòu)上取得紅利，這時候我們的想法是架構(gòu)上吸取移動端GPU的優(yōu)點，做出真正好的GPU”，何穎如是說。
那么芯動科技用的GPU架構(gòu)是什么樣的？我們都知道芯動科技拿了Imagination的GPU核 IP授權(quán)，而這個授權(quán)的GPU IP正是移動端級別的，所以在能效比上存在天生的架構(gòu)優(yōu)勢。
拿了Imagination的IP
國產(chǎn)GPU還算自主可控嗎？
講到這里，你是否會提出疑問，架構(gòu)級IP都是買來的，能算是自主可控嗎？舉個例子，蘋果從A4到A10X所有的芯片都是用Imagination的IP，到10之后蘋果有了自己的GPU架構(gòu)，但是它依然是基于Imagination的TBDR架構(gòu)，所以進行了專利授權(quán)，它是Imagination TBDR重要的分支。
蘋果不用大風(fēng)扇甚至風(fēng)扇不轉(zhuǎn)就可以發(fā)揮很好的圖形性能，這是其他筆記本很難做到的事情。它做了三個不同的芯片：M1、M1 Pro和M1 MAX，最強的芯片用了32個核，有機地合在一起，達到的效果比桌面獨立顯卡功耗降了70%，它可以用很少的功耗達到接近英偉達3060桌面渲染的性能。這證明TBDR可以用于移動，也可以用于桌面的操作系統(tǒng)，但是它需要很多改變，它要做很多自己私有化的定制，這樣才有可能把一個GPU放大到能夠適應(yīng)桌面上強渲染的要求。所以，你會說蘋果沒有自主可控嗎？
事實上，當(dāng)從單核、雙核擴大到8核、16核、32核時，就不是簡單的堆核了，如何講這些核有機地調(diào)用起來，協(xié)調(diào)好通訊，就必須有芯片廠商自己的方案。所以蘋果有蘋果的方案，而芯動科技的方案特色就是Chiplet，通過Chiplet來打破算力的限制。此外，做大核還必須要配合API接口的升級，圖像GPU領(lǐng)域趨勢的跟進，以及盡量把算力做起來。
說到算力，其實前面也有提到“風(fēng)華1號”用的是一個移動端的架構(gòu)，雖然有它功耗和做云游戲的天生優(yōu)勢，但也存在一些架構(gòu)弱勢，所以如何把原生移動端的架構(gòu)拓展到高性能計算、云計算的場景也是芯動科技要做的最重要的事情之一，這時候就需要修改GPU內(nèi)核了。
如此，即使是拿了架構(gòu)授權(quán)，其實要做的事情還是很多，這也是目前市場上GPU門檻居高不下的原因所在。根據(jù)何穎的介紹，“風(fēng)華1號”80%以上的IP都是屬于自主研發(fā)。
不過，哪天真的上了美國的黑名單，不讓流片的風(fēng)險總是會存在的，這不是一家公司能解決的問題。真到那個時候，芯動科技已經(jīng)流片好幾代，并且已經(jīng)拿到的授權(quán)對方是拿不走的，就像當(dāng)初華為被禁的時候已經(jīng)有了ARM授權(quán)，后面還能用是一個意思，所以相對自主可控。
在小池塘練兵
避開英偉達主戰(zhàn)場尋找藍海
“桌面市場如果一上來就想跟行業(yè)巨頭正面地進行競爭，你會死得很慘”，毛鳴明如是說，“每個市場都有很細分的點，比如做桌面，可以先做線上市場，做國產(chǎn)化的統(tǒng)信70的操作系統(tǒng)，先找到一個點站住腳，再去考慮挑戰(zhàn)國外的巨頭?！?/p>
確實，桌面市場是一個存量市場，所以對于一家本土GPU廠商而言，正面PK不可行，所以在中國政策的扶持下，信創(chuàng)市場是一個可行的切入口。
根據(jù)市場調(diào)研的數(shù)據(jù)顯示，2023年全球計算產(chǎn)業(yè)市場空間將達到1.14萬億美元，中國計算產(chǎn)業(yè)市場空間1043億美元，即7300億元，接近全球的10%。按照50%為信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模計算，2023年中國信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將突破3650億元，市場容量將突破萬億。
對于國內(nèi)的信創(chuàng)桌面，目前大家用的最多的還是AMD的卡，ARM服務(wù)器和AMD顯卡這套方案很成熟，但大家的反饋是一個字“貴”，所以這里面有很大的國產(chǎn)替代空間。
不過如果只有桌面市場，英偉達也不會是萬億級別公司的體量，是AI和元宇宙的加持才成就了今天的英偉達。因此，對于像芯動科技這樣的GPU廠商而言，信創(chuàng)市場不是終極目標(biāo)，而是一個大魚進不來的小池塘，方便練兵站穩(wěn)腳跟，從而向更為廣闊和通用的云市場過渡。
對于云端市場的看好，毛鳴明是這么形容的，“如果沒有在2019年看到云渲染后面會爆炸式的需求，我們不一定會做GPU。”可見作為元宇宙基礎(chǔ)建設(shè)項目的云渲染市場之巨大。不過對于本土廠商來說，如何抓住市場錨點生存下來呢？毛鳴明很有自信地表示，“給我一個抓手，再給我一兩年時間迭代兩三款產(chǎn)品，就能站住腳?！?/p>
那么他口中的抓手除了前面提到的信創(chuàng)市場還有其他嗎？答案是云游戲市場。前面提到了“風(fēng)華1號”其實用的是一款移動端內(nèi)核架構(gòu)，有做云游戲的天生優(yōu)勢。但是那些巨頭們難道不能掌握這個技術(shù)嗎？
事實上，作為國際大廠，它們關(guān)心的是自己的主要用戶，也就是3A大作，包括谷歌的主流云游戲廠商，考慮的是一張顯卡給兩個用戶用，因此編解碼只要支持兩路。而國內(nèi)的手機游戲廠商比較多，中國客戶的需求不太一樣，它們更追求性價比，成本是重要的考量因素，它們的客戶很多都不愿意每月為云游戲支付較高的價格。因此這些手機游戲廠商希望一個方案可以支持30路、50路、60路，甚至上百路的操作。所以這也算是本土化的藍海市場，由于本土公司可以更貼近這些云游戲廠商，就可以在硬件設(shè)計和定制化方面做一些有差異化的東西，從而生存下來。當(dāng)然，跟著云渲染指數(shù)級增長的事態(tài)，未來它們也可以進軍桌面、筆記本，甚至手機市場。不過，國產(chǎn)GPU當(dāng)前最重要的任務(wù)依舊是API升級和算力提升。
本土GPU廠商
有望1-2年內(nèi)回本？
前面講了本土GPU技術(shù)和市場側(cè)的一些分析，下面我們來聊點“俗話題”。最近，就算是半導(dǎo)體的圈外人也多多少少對GPU的市場熱有所了解，高規(guī)格、市場容量大、國體替代緊迫等關(guān)鍵詞是這個賽道能夠大批量吸收市場熱錢的原因所在。
正是在這樣的大背景下，你可能不會相信芯動科技竟然是在無融資的條件下完成了GPU的架構(gòu)授權(quán)、設(shè)計、流片、內(nèi)部測試，到量產(chǎn)版本的發(fā)布工作。12nm的流片的費用不說，這年頭光是養(yǎng)幾百人的GPU研發(fā)團隊都是一筆不菲的開銷。
我們知道芯動科技原來是做接口IP授權(quán)和芯片定制的，雖然公司成立第五年就開始盈利，財務(wù)狀況一直不錯，但不免擔(dān)心會被“GPU業(yè)務(wù)”拖累。面對這個追問，毛鳴明給出的答案是——“風(fēng)華1號”正在和騰訊、聯(lián)通等大廠進行適配，中國年以后會開始討論訂購、采購的細節(jié)，后面我們每半年會迭代流片一款產(chǎn)品，每一年到一年半做真正意義上的大的架構(gòu)迭代，如果我們做得好的話，可能在1-2年內(nèi)就可以回本。
迭代這么快，還能在短期內(nèi)賺錢，自信哪來？“信創(chuàng)市場一年有幾百萬張卡的體量，服務(wù)器顯卡一年有十萬張或者幾十萬張的體量，而且服務(wù)器端的成長特別快，單卡的價格也是信創(chuàng)的十倍、幾十倍的體量。所以我們覺得在信創(chuàng)市場上做盈利比較難，因為它本身偏向于中低端的市場，但是在服務(wù)器端的盈利還是比較有希望的?！?毛鳴明補充道。
寫在最后
值得一提的是，對于IP廠商而言，在流片方面存在一些優(yōu)勢，據(jù)芯動科技的描述，過去200多次，5億美金的流片都是免費的，當(dāng)然這個主要是針對IP。因為代工廠也想捆綁客戶，有很多IP公司跟代工廠深度綁定，它們需要IP供應(yīng)商在供應(yīng)節(jié)點擴充它的IP庫，比如“風(fēng)華1號”中GDDR6x技術(shù)的合作就是個很好的例子。而對于Chiplet技術(shù)下的GPU來講，如果能做接口等技術(shù)上的提前驗證，是一件事半功倍的事情。