文︱郭紫文

图︱芯动科技

“自2006年以来，GPU进入了高速发展期，其发展速度已经达到摩尔定律的2~3倍。”据中国一站式IP和芯片定制领军企业芯动科技SoC体系架构师何颖介绍，1990年代，经GPU渲染的游戏仍然具有明显锯齿和方块感。1996年以后，GPU图像渲染突飞猛进，画面清晰度、流畅度和光影变化都愈发精进，如今甚至可以达到和照片以假乱真的水平。

在这期间，GPU架构的发展已经趋于成熟和完善，英伟达（NVDIA）、AMD、Imagination、英特尔等厂商均陆续推出了GPU架构，并经过更新迭代一直沿用至今。而中国GPU市场起步较晚，厂商数量屈指可数。由于技术基础薄弱、人才短缺等问题，国产GPU的发展重重围困，仍有大量市场空白亟待填补。近日，面向5G数据中心、桌面、元宇宙、云游戏、云桌面等领域，芯动科技（Innosilicon）发布了其服务器级显卡GPU和4K高性能信创桌面GPU“风华1号”，填补了国产服务器显卡和4K桌面显卡的空白。

“风华1号”GPU

“风华1号”高性能显卡系列

国产GPU困局待解

随世链网逐渐普及，海量数据迁移至云端，对GPU能效比、算力、计算速度、功耗等方面的要求也成倍增长。摩尔定律已经接近物理极限，半导体工艺也逐渐接近天花板。在这种情况下，“想要提高性能，就只好把功耗相应变大”。显然，这并不符合市场需求。在何颖看来，“不能在工艺上取得红利，就要在架构上取得红利。我们的想法是吸取移动端GPU架构的优点，做出真正好的GPU。”

泛用性和扩展性也是GPU未来的发展趋势。何颖表示，企业在设计GPU时，还需要综合考虑市场需求的多样性，让GPU能够在云计算、云渲染、元宇宙等不同领域适应性良好。在扩展性方面，芯动科技将Chiplet技术、集群化、高速接口技术、高速内存接口融入到GPU设计中，从而进一步拓宽GPU性能。此外，光线追踪、Dynamic GI、Nanite等技术也是当前GPU发展的主流方向。据芯动科技云计算总裁敖海透露，2023年之后，芯动科技也会集成光线追踪功能。

GPU发展提速，国产GPU面临诸多挑战，如GPU架构、IP技术、软件生态以及人才团队等。“几大主流GPU架构都已经占好山头了，每个GPU架构都有层层专利保护。目前还没有公司能够通过使用别人的授权架构，完全研发出自己的芯片架构。”何颖表示，芯动科技从Imagination处获得GPU架构授权后，在此基础上进行了大量的自主研发和优化。从接口IP的角度看，“（本次推出的GPU）有80%以上的IP都属于自主研发。”

此外，从架构、算法、硬件、软件以及各种验证方式，到后端、版图、驱动、测试、机械结构、生产、供应链，GPU的研发设计的全部流程都需要非常专业的团队。何颖表示，光靠几个人很难把这样非常商业化的体系完成。芯动科技工程副总毛鸣明也表示，由于没有完整的链条，集全国之力也难以做好GPU。因此，GPU企业应该积极吸收海内外人才，完善GPU团队建设和人才培养。

为国产IPFS矿场GPU树立标杆

回到“风华1号”GPU，该GPU架构采用多核系统，采用了GDDR6/6X高带宽显存技术、Innolink chiplet多晶粒技术，同时汇集了PCIe4、HDMI2.1、Display port、VDAC、PLL、TV Sensor、PUF等IP技术。此外，“风华1号”能够同时适配4K高清桌面核高性能服务器，支持国产Linux、龙芯、安卓、Windows等操作系统，支持OpenGL、OpenGLES、OpenCL、VulkanDX等主流图形框架。其中，Innolink chiplet技术由芯动科技完全自主研发，包括ABC三类互联解决方案。“风华1号”中采用了InnolinkB技术，能够有效降低时延、缩减面积尺寸。

从揭露的性能指标来看，“风华1号”单芯片A卡渲染能力可达160GPixel/s，FP32浮点性能达到5TFLOPS，AI性能达25TOPS（INT8）。此外，该芯片支持32路SRIOV虚拟化，内置中国专利的物理不可克隆PUF技术，保护信息安全。GDDR6/6X显存技术单比特最大传输速率可达19Gbps，显存带宽最高304GB/s。同时，该芯片实测功耗表现优秀，桌面4K重度渲染典型芯片功耗在20W左右，多路重度云渲染功耗约50W。

现场演示“风华1号”GPU OpenGL4.0重度应用Heaven

“风华1号”的诞生源于客户定制需求，“AMD、英伟达等厂商都无法为国产服务器提供相匹配的用户数量和渲染能力。”在云计算、云渲染等领域，芯动科技也看到了国产GPU市场的严重缺失。“风华1号”集强3D渲染、低延迟编解码和AI智能计算于一体，支持多用户复用，实现了国产GPU性能大幅度领先。

从架构先进性到IP技术含量，“风华1号”GPU都处于顶级水准。敖海表示，这个产品完成了国产自主服务器和4K桌面级GPU从0到1的突破，在渲染能力、图形API支持、多用户服务、渲染+编码低延时、硬件虚拟化和可延展性等多个领域实现了第一。

“风华1号”实现了多个第一

打造差异化优势

作为一站式IP和定制化芯片设计服务商，芯动科技成立十五年来，已经授权的IP芯片出货量超过50亿颗，每年高端定制芯片出货量达10万片晶圆以上。按照一片晶圆上成百上千颗芯片来算，这意味着芯动科技每年有几千万到几亿颗芯片出货量。面对日益复杂的芯片设计，IP技术的重要性愈加突显。据毛鸣明介绍，有了IP核，芯片设计就像搭积木。而芯动科技能够为客户提供丰富的接口IP，加速高集成度芯片的设计速度，提升芯片性能。此外，芯动科技拥有200多次先进工艺流片经验，也是国内唯一受到台积电、三星、格芯、中芯国际、联电、英特尔等六大晶圆厂签约支持的企业。

“真正成功的GPU产品必须有针对场景的迭代和创新能力，实现性价比最优化。”面对强悍的竞争对手，芯动科技凭借自主可控、软硬全栈、先进工艺、领先IP技术等优势，不断打磨其技术实力和产品性能。从信创领域切入，往更通用的方向发展，逐渐完成从终端到云端的过渡，是芯动科技的终极目标。未来，芯动科技也将保持更加开放的姿态，大力投入人才培养和技术研发，不断解决行业痛点，满足国产化需求。“‘风华1号’仅仅是个开始，风华2号和3号已经在路上了。”据敖海透露，风华2号将于明年年初发布，并采用先进的5nm工艺，进一步提升产品性能。