國產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”在北京亮相

GPU（Graphic Processing Unit）即圖形處理器，是數(shù)字世界圖形內(nèi)容生成的基石，不管是桌面應(yīng)用、游戲、電影、數(shù)字孿生還是元宇宙；與此同時，強(qiáng)大的并行計算能力業(yè)已成為各種應(yīng)用加速的主流手段，正廣泛應(yīng)用于科學(xué)計算和人工智能。然而，我國GPU芯片基本全部依賴進(jìn)口。隨著美國不斷加碼限制英偉達(dá)、AMD向我國供應(yīng)高端GPU芯片，我國進(jìn)口GPU也受到極大的限制。這些多重因素，更加促使國產(chǎn)GPU企業(yè)奮起直追。

6月15日，國產(chǎn)自主GPU架構(gòu)“天狼星”鑒定及發(fā)布會在北京舉辦。

出席本次活動的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)有：國際信息顯示學(xué)會中國總裁、fellow、俄羅斯工程院外籍院士、國際信息顯示學(xué)會北京分會理事長嚴(yán)群博士；上海市集成電路行業(yè)協(xié)會秘書長郭奕武；原國家能源局電力可靠性和質(zhì)監(jiān)中心副主任胡紅升；國家開發(fā)投資集團(tuán)國投委執(zhí)行總監(jiān)梁敬東；杭州市上城區(qū)國有資本運營集團(tuán)有限公司總經(jīng)理陳轟；湖州市南太湖新區(qū)招商服務(wù)中心章佳輝；OPPO投資部陸宇仟珊；量子創(chuàng)新（北京）信息技術(shù)有限公司創(chuàng)始人程全富，副總裁郭松；北京銳馬視訊科技有限公司副總裁徐言茂，副總裁肖志剛；北京德風(fēng)新征程科技股份有限公司副總裁王妙維。

•GPU架構(gòu)“天狼星”出世

GPU架構(gòu)“天狼星”由國內(nèi)企業(yè)中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡稱中天恒星/ATS）自主研發(fā)。

中天恒星研發(fā)團(tuán)隊由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計算機(jī)工程博士、清華大學(xué)軟件學(xué)院、微電子學(xué)研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領(lǐng)。鄧博士是GPU通用計算最早研究人員之一，被譽(yù)為“GPU通用計算先行者”。鄧博士長期從事圖形處理器體系結(jié)構(gòu)、并行計算研究和芯片產(chǎn)品開發(fā)工作；曾設(shè)計出全球第一個基于FPGA的GPU仿真平臺；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級會議和期刊發(fā)表。鄧博士撰寫多部教材和專著，其中《數(shù)字集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計與高層次綜合》入選清華大學(xué)及多所大學(xué)研究生教材，《異構(gòu)處理器OpenCL編程導(dǎo)論》是國內(nèi)GPU異構(gòu)計算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三維集成電路的第一部專著。

“天狼星”GPU架構(gòu)有幾大亮點：一是具有3D圖形引擎+2D圖形加速+視頻引擎。二是自主可控/靈活優(yōu)化的指令集和VLIW/SIMD機(jī)器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/靈活優(yōu)化的指令集，保證GPU芯片迭代的軟件兼容。三是SIMT計算框架，充分利用圖形應(yīng)用的數(shù)據(jù)并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。四是支持物理真實渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA'14.15)。五是Shader Core(Graphics ProcessingCluster)，包括SIMT獨立指令執(zhí)行單元、以32位浮點ALU為基礎(chǔ)的統(tǒng)一圖形架構(gòu)(ICCD13)以及集成寄存器堆、紋理/數(shù)據(jù)緩存。六是延遲聚集式全局線程調(diào)度技術(shù)(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯(lián)架構(gòu)(MICRO'20、TPDS’21)。

此次發(fā)布的天狼星的主要有三個技術(shù)優(yōu)勢：第一、面向億級訂單市場，以獨立顯卡GPU芯片主流產(chǎn)品為突破口，瞄準(zhǔn)需求廣闊、增長強(qiáng)勁的億級剛需市場，突出性價比優(yōu)勢；第二、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，以清華大學(xué)超過10年研究基礎(chǔ)為依托的自研核心架構(gòu)，確保產(chǎn)品迭代自主可控。以基礎(chǔ)理論研究為基礎(chǔ)，從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)開始，從架構(gòu)設(shè)計、算法模型、原理驗證、硬件實現(xiàn)、驅(qū)動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計。核心架構(gòu)完整知識產(chǎn)權(quán)，已申請專利和著作權(quán)數(shù)百項，數(shù)十項已獲授權(quán)；相關(guān)研究成果發(fā)表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊；第三、完備的交付能力，上下游產(chǎn)業(yè)鏈準(zhǔn)備充分，確保產(chǎn)品量產(chǎn)自主可控；芯片設(shè)計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬件接口符合國際標(biāo)準(zhǔn)，確保芯片裝機(jī)即可使用，包括操作系統(tǒng)認(rèn)證：Windows WHQL；API認(rèn)證：Open GL Conformance Test；外圍接口認(rèn)證：HDMI DP CTS；專業(yè)測試認(rèn)證：PHY layer和LIINK layer；質(zhì)量體系認(rèn)證：顯卡3C認(rèn)證（中國）、 日本VCCI 、歐盟CE、 美國FCC。

•得到業(yè)界專家高度認(rèn)可

當(dāng)前,Imagination和Vivante兩家公司是主要IP來源，這些IP主要是針對移動應(yīng)用的GPU內(nèi)核，不適合桌面應(yīng)用。此外，購買第三方的IP，難以形成成熟的圖形顯卡級GPU，核心電路專利無法自控和自主迭代。

中天恒星聯(lián)合創(chuàng)始人、總架構(gòu)師鄧仰東博士表示：“很多國產(chǎn)的GPU的IP授權(quán)主要購買的第三方。中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎完全自主設(shè)計的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識產(chǎn)權(quán)，也沒有IP的問題，全部是我們自己擁有，從0到完整架構(gòu)的實現(xiàn)，都是我們自主的技術(shù)。”

自研GPU架構(gòu)存在極高的技術(shù)挑戰(zhàn)。鄧仰東分析指出：“GPU設(shè)計有幾個地方非常復(fù)雜：一個是架構(gòu)級的設(shè)計，這其實是個統(tǒng)籌的藝術(shù)。GPU本身的資源，在所謂的uni版的shader，所有的計算資源是一樣的，大家都用32比特或者64比特的浮點運算單元，這是一個配合的問題。有很多個核共享L2的cash，然后每個核內(nèi)有自身的計算單元，還有通往片外的各種通道，實際上片上還有一些針對圖形的，比如像紋理的緩存；這些雖然很容易知道是什么樣的模塊，難的是如何配合起來實現(xiàn)整體性能最優(yōu)。換言之，如何通過統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)圖形應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，均衡的設(shè)計保持性能每秒至少30幀，這是一個極具挑戰(zhàn)的地方。二是，架構(gòu)仿真的時間非常長，需要經(jīng)驗也需要直覺，去找出架構(gòu)問題到底出在哪里。這方面也是一個很大的挑戰(zhàn)，需要有多年的積累才能去做這件事。”

GPU架構(gòu)“天狼星”得到行業(yè)專家的高度認(rèn)可和好評。

對于天狼星架構(gòu)，國際信息顯示學(xué)會中國總裁、fellow、俄羅斯工程院外籍院士、國際信息顯示學(xué)會北京分會理事長嚴(yán)群博士指出：“現(xiàn)在所有顯示器都可以稱為被動式顯示技術(shù)，觀看的人對它的信息傳輸只有接收，沒有互動，一旦顯示屏加上很多GPU功能，有了沉浸式三維影像呈現(xiàn)、交互體驗，那就不是傳統(tǒng)的電視了，現(xiàn)在沒有人看電視了，特別是年輕人很少有人看電視，這個體驗已經(jīng)被手機(jī)端、PAD端等便攜設(shè)備全部替代了，沒有必要看那么大的電視。但是一旦需要有交互體驗的時候，我們就會重新回到大屏，重新回到這些有渲染的、真實的、你可以融入其中的體驗，這種體驗非常不得了。”

嚴(yán)群博士表示，現(xiàn)在ChatGPT很火，這個人工智能我們認(rèn)為還是處于幼兒園、小學(xué)階段，但這已經(jīng)很可怕了，如果有了交互，以后靈魂是在數(shù)據(jù)里了，這個時候抓取的大數(shù)據(jù)，不是Chat生成式了，而是交互式GPT，這個時候大數(shù)據(jù)經(jīng)過人工智能的學(xué)習(xí)以后，會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類的智力和能力，這是真正元宇宙的目標(biāo)。“

“我覺得現(xiàn)在真是一個很好的時機(jī)，要抓住它，潮流也在往這個方向走，機(jī)會非常多。我們?nèi)绻軌蛑鸩缴先サ脑挘覀儾灰姷脮痊F(xiàn)在西方的有些國家的東西落后，因為你抓的點是更高層級的點。”嚴(yán)群分享道。

上海市集成電路行業(yè)協(xié)會秘書長郭奕武認(rèn)為：“現(xiàn)在正好是非常好的關(guān)口，即產(chǎn)業(yè)革命和新技術(shù)革命的興起，大家也看到包括云計算、數(shù)字化、智能汽車、云端到邊緣等等，這些產(chǎn)業(yè)化以后，都需要大算力，也就是我們所說的GPU。所以我們趕上的時機(jī)非常好，未來隨著新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展，這個方面的空間是非常大的。”

“中天恒星自研架構(gòu)，有這幾個特點：一是3D圖形渲染。二是指令集的自主可控，這是非常不容易的。三是它的框架結(jié)構(gòu)，包括在整個儲存器當(dāng)中的DDR4實現(xiàn)高速存儲，這個設(shè)計也是比較領(lǐng)先的架構(gòu)，中天恒星都用上了，這決定了未來的產(chǎn)品用途非常廣泛。中天恒星的切入點在顯示領(lǐng)域，我覺得顯示領(lǐng)域非常廣闊，我相信在黃總的帶領(lǐng)下，中天恒星一定會從架構(gòu)到產(chǎn)品，最后能夠使我們的產(chǎn)品在全球落地。”郭奕武指出。

•克服重重考驗 終將“亮劍”

依托研發(fā)團(tuán)隊多年研究成果，中天恒星從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)開始，架構(gòu)設(shè)計、算法模型、原理驗證、硬件實現(xiàn)和驅(qū)動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計，核心IP完全自主可控，擁有圖形GPU完整知識產(chǎn)權(quán)，并已申請專利和著作權(quán)數(shù)百項，其中25項已獲授權(quán)，相關(guān)研究成果發(fā)表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊。

2019年，第一代“天狼星”架構(gòu)芯片設(shè)計驗證完成。2021年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU誕生；2022年，定義第二代GPU架構(gòu)“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU實現(xiàn)量產(chǎn)。

GPU架構(gòu)取名為“天狼星”有著獨特的寓意，中天恒星創(chuàng)始人黃永博士指出：“我們的架構(gòu)全部是以恒星來命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出來有超一流、卓越的含義。第二代架構(gòu)命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因為距離地球更遠(yuǎn)，所以看起來沒有天狼星亮；實際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍。”

據(jù)悉，2024年，中天恒星會繼續(xù)優(yōu)化基于“天狼星”架構(gòu)的GPU。2025年，將量產(chǎn)第二代GPU架構(gòu)“大角星”。

國產(chǎn)自研“天狼星”GPU架構(gòu)的推出，無疑推動國產(chǎn)GPU芯片朝前邁出一個新的高度。

當(dāng)前,美國對中國的科技打壓仍在繼續(xù)，對中國限制供應(yīng)高端GPU芯片的打壓不會減弱。國內(nèi)的國產(chǎn)替代處在深入推進(jìn)期，國內(nèi)下游應(yīng)用市場采購國內(nèi)自主可控的芯片的自主性和迫切性更強(qiáng)，這進(jìn)一步激發(fā)中國企業(yè)自研GPU芯片的熱情，為國產(chǎn)GPU的發(fā)展提供了巨大的助力。

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