芯動科技：借力兼容生態，細分領域下國產GPU的破局之道

近2年國產GPU領域受到投資熱捧，多家國產GPU初創公司獲得大額融資，甚至有成立僅僅100天的GPU公司獲得數十億元的融資。一直以來，無論是GPU還是GPGPU，國內廠商與國外巨頭相比差距都極其巨大，不過與以往不同的是，近年來除了如景嘉微、兆芯等老牌廠商外，還誕生了不少初創公司，并且在2020年也獲得產品落地的新進展。一眾初創公司紛紛高調進入且獲得數十億級的巨額風投而備受關注。但是喧鬧過后，市場上仍缺乏可與國際巨頭對標的量產產品，去年年底，芯動科技潛心為中國5G數據中心定制的高性能顯卡GPU芯片——“風華1號”回片測試成功，全球首發，這是否有望改變服務器級高性能GPU國產無芯的局面呢？

對于近2年掀起的國產GPU投資熱，芯動科技首席SoC架構師何穎認為，這既是商業化的需求，也是國家戰略替代的需求。“GPU市場非常大，但相較于已有一定積累的CPU來說，我國在GPU方面的發展進度還十分緩慢。目前桌面和移動端的GPU基本被NVIDIA、AMD、ARM壟斷，所以國產替代的空間和潛能也很大。國產GPU和CPU一樣，也是具有國家戰略意義的高端集成電路產品，可以說是一個巨大的藍海市場。投資者青睞GPU領域其實也是看好這個市場的巨大發展前景和機會。”

另一方面，在GPU投資熱之下，其背后的投機屬性也不能忽視。“一方面，一些GPU新勢力尚沒有明確自己的細分市場，沒有想清楚未來長遠的發展方向，還只是停留在PPT階段，所以盡管熱度高漲，但真正能用產品說話的企業非常少，尤其是高性能商業化的渲染GPU產品鳳毛麟角。另一方面，GPU技術門檻高，長期被NVIDIA和AMD等霸主壟斷，新勢力想要生存必須掌握有核心技術，有多年的技術積累和人才資金供給。長遠來看，GPU領域在競爭中將會逐漸由多家公司收斂成屈指可數的幾家公司。”何穎解釋道。 

當前，無論是GPU還是GPGPU市場，都基本由NVIDIA、AMD壟斷，新晉企業競爭難度可想而知，但同時這也正是國產替代需求的根源。不過，對于選擇GPU或是GPGPU路線，各家企業都有不同考量。

比如芯動科技選擇了圖形渲染GPU作為切入點，何穎對《華強電子》記者表示：“雖然GPGPU的價值很高，增長也不錯，但細分市場總的體量還是遠不及圖形渲染領域。芯動選擇的是一個起步很難但可以走得很遠的賽道。”

據何穎介紹，目前大多數初創公司基本上是做GPGPU，而原因是通用計算型GPU主要實現的還是相對比較簡單的一些AI運算，相對圖形渲染GPU是小容量的市場。而圖形渲染GPU因為其流水線（pipeline）特別長，經過了十幾年的演化進程，實現起來會更加復雜，設計也要難得多，同時還存在著很多專利陷阱，也就是人們常說的雷區（Minefield）。

與此同時，相比于CPU，GPU盡管指令集相對簡單，但計算核的數量多出一個數量級，所以GPU在執行可并行度高的計算時會大幅提高計算效率。也因為計算核數量多，一般而言GPU芯片中的邏輯門數量會比CPU多十倍以上。當GPU用作三維圖形實時處理時，畫面中的每一個像素顏色都經過GPU上百次計算而產生的，其架構設計也要不斷更改來適應新的市場需求，這也是GPU系統復雜的原因之一。

另一方面，GPU架構具有多個計算核，可以對同一個指令用不同的數據并行計算，所以，GPU也適合處理數據密集型、高度并行化的計算任務。因此，在近年興起的AI浪潮中，由于對用傳統語言編寫的、軟件形式的計算有較好支持，GPGPU應運而生，爆發出大量需求。

這與前些年的AI芯片熱潮有異曲同工之處，但相比于專用的ASIC芯片，GPGPU具有更加廣泛的適用性、兼容性、靈活性、對技術變化的包容和適應能力更為突出，產品的應用生命周期更長。不過，盡管現階段聚焦于GPU市場，但據何穎透露，芯動未來也會有GPGPU的規劃。

縱觀國內GPU的發展歷程，除了主要用于軍工的景嘉微、用于特殊應用的中船重工外，民用產品就只有兆芯，而兆芯的GPU技術事實上是來源于美國S3公司。GPU系統設計復雜且龐大，涉及面廣，因此需要一個技術積累過程。

何穎坦言：“由于做GPU設計的復雜度確實很大，架構從零開始設計的時間周期太長，涉及的專利太多，所以芯動做GPU設計‘站在了巨人的肩膀上’。”

他還透露，基于Imagination的架構授權，芯動開發了“風華”系列GPU，并且在架構授權上進行自研演進，這是自主可控的，“芯動科技與Imagination的合作是與蘋果一樣的架構授權，而不僅僅是某一個IP的授權。如何把這個架構做成最終的GPU，不是簡單的堆砌核和各種IP就行了，如何把他們有機地利用、調用起來，如何通訊都要付出大量努力。芯動在這個初始架構上探索了很多自己的方案，包括自研的Cache一致性Innolink Chiplet技術，內置國產物理不可克隆iUnique Security PUF信息安全加密技術，提升數據安全和算力抗攻擊性等等。”

得益于Imagination BXT架構的多核可擴展性，芯動能夠為客戶打造量身定制、融合圖形和智能計算的顯卡芯片解決方案，以滿足高端桌面和數據中心的需求。另外，由于現有的架構是基于安卓開發的原生架構，風華GPU在安卓云游戲上也會更具備優勢，而且可以適配ARM、X86服務器平臺，對各種Linux、安卓和國產各種操作系統都能支持。

在市場方面，何穎表示：“國產信創桌面和服務器這兩大細分領域，其中服務器主要是指安卓云游戲領域。一方面，信創市場做的是國產替代，另一方面我們選擇做更商業化的產品，也就是云服務器和云游戲的市場。我們敢于擁抱商業化的競爭，做更商業化的產品。”

不過，GPU并不只是擁有了核心架構就能夠產出可用的產品。何穎補充道：“站在巨人的肩膀上能成功也必須自身夠硬。憑借芯動在GDDR6/6X高速存儲、緩存一致的多晶粒封裝芯片（Chiplet）創新、以及高性能多媒體處理器優化等方面的堅實積累，進而去開發獨立的、支持PCI-E規格的GPU顯卡芯片是水到渠成的事情。”

在當前的國產GPU發展階段，何穎指出：“國產GPU行業要采取開放合作的心態，要學會站在巨人的肩膀上，善于利用現有架構和生態，設計契合市場需求的優秀產品，打造全球化設計水平的開發團隊。因為國產GPU發展到今天，我們可以集全國力量打造一個GPU軟件團隊，卻很難組建GPU硬件團隊，一些核心的模塊基本都沒有在中國設計過，所以我們現在還不具備相應的基礎，但是可以在發展的過程中不斷探索、學習。國產GPU在起步階段兼容現有生態更容易發展，先求生存；長期還是要擺脫兼容思路，站穩腳跟后再求發展自有的核心技術。”

對于現階段的國產GPU廠商來說，正面與NVIDIA、AMD、ARM等巨頭正面競爭并不現實，尋找細分領域，找到可持續的落地場景，才是自身發展的持久驅動力。