“風(fēng)華1號”技術(shù)團(tuán)隊(duì)首談國產(chǎn)GPU的性能和出路

目標(biāo)做“中國的英偉達(dá)”，“風(fēng)華1號”算力對標(biāo)“英偉達(dá)T4”

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(jī)，但真正進(jìn)入高速發(fā)展期是在2006年，往后GPU的發(fā)展速度達(dá)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(dá)Ampere架構(gòu)下的云端訓(xùn)練A100顯卡FP32浮點(diǎn)性能19.5T FLOPS，INT8算力1,248 TOPS，而這兩天的消息稱，英偉達(dá)的下一代GPU Hopper FP32浮點(diǎn)性能將達(dá)到24.2 TFLOPs，幾乎是A100 顯卡的2.5倍。

正因?yàn)镚PU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)在只剩下兩三家。高端技術(shù)的壟斷代表了議價(jià)權(quán)，現(xiàn)在一張高端的GPU顯卡，市場售價(jià)高達(dá)十幾萬元，相當(dāng)于一輛普通小轎車的價(jià)格。再加上國內(nèi)需求的差異化，巨頭們在定制方面確實(shí)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(shí)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(shí)測浮點(diǎn)算力能達(dá)到1.5T FLOPS。相比之下，上個(gè)月芯動科技發(fā)布的4K級顯卡GPU芯片“風(fēng)華1號”顯得格外搶眼。

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圖 | “風(fēng)華1號”參數(shù)一覽

根據(jù)芯動云計(jì)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(dá)到160GPixel/s，F(xiàn)P32浮點(diǎn)性能達(dá)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(diǎn)性能達(dá)到10T FLOPS，渲染能力達(dá)到320GPixel/s，可以對標(biāo)英偉達(dá)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(dá)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(dá)”，芯動科技工程副總毛鳴明補(bǔ)充道。

后摩爾時(shí)代，如何通過GPU架構(gòu)改善功耗問題？

眾所周知，算力和計(jì)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(dá)下一代顯卡40系列的TGP整卡功耗標(biāo)示為550W，這樣的整機(jī)得要多大電源才能帶得動？于是我們自然而然會有一個(gè)疑問，為什么GPU發(fā)展了這么長時(shí)間，功耗還是一步步增長到了這么大的地步？

“這是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93/">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(shí)候，一直還可以線性地降低，降低工藝節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)候我們的想法是架構(gòu)上吸取移動端GPU的優(yōu)點(diǎn)，做出真正好的GPU?！保畏f如是說。

那么芯動科技用的GPU架構(gòu)是什么樣的？據(jù)悉，芯動科技獲得了Imagination的GPU核 IP授權(quán)，而這個(gè)是移動端級別的，在能效比上存在天然的架構(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(gè)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)，并獲得了專利授權(quán)，成為Imagination TBDR重要的分支。蘋果不用大風(fēng)扇甚至風(fēng)扇不轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)很好的圖形性能，這是其他筆記本很難做到的事情。蘋果公司做了三個(gè)不同的芯片：M1、M1 Pro和M1 MAX，最強(qiáng)的芯片用了32個(gè)核，有機(jī)地合在一起，達(dá)到的效果比桌面獨(dú)立顯卡功耗降了70%，它可以用很少的功耗達(dá)到接近英偉達(dá)3060桌面渲染的性能。這證明TBDR既可以用于移動，也可以用于桌面的操作系統(tǒng)，當(dāng)然大量的優(yōu)化改進(jìn)工作是必須的，才有可能把一個(gè)GPU放大到能夠適應(yīng)桌面級別的強(qiáng)渲染的要求。所以，你會懷疑蘋果不能自主可控嗎？

事實(shí)上，當(dāng)從單核、雙核擴(kuò)大到8核、16核、32核時(shí)，就不是簡單的堆核了，如何講這些核有機(jī)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(jìn)，以及盡量把算力做起來。

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圖 | “風(fēng)華1號”桌面顯卡（半高）

說到算力，其實(shí)前面也有提到“風(fēng)華1號”用的是一個(gè)移動端的架構(gòu)，雖然有它功耗和支持云游戲的天生優(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(jì)算、云計(jì)算的場景就是芯動科技要做的最重要的工作，也就需要改進(jìn)GPU內(nèi)核了。

其實(shí)，即使是拿了架構(gòu)授權(quán)，要做的工作還是非常多，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)。既然已經(jīng)獲得了架構(gòu)授權(quán)，芯動科技就可以不受限制地自行改進(jìn)，這個(gè)技術(shù)是能夠自主可控的。

在小池塘練兵，避開英偉達(dá)主戰(zhàn)場尋找藍(lán)海

毛鳴明說，“每個(gè)市場都有很細(xì)分的點(diǎn)，比如做桌面，可以先做線上市場，做國產(chǎn)化的統(tǒng)信麒麟的操作系統(tǒng)，先找到一個(gè)點(diǎn)站住腳，再去考慮挑戰(zhàn)國外的巨頭?！?/p>

確實(shí)，桌面市場是一個(gè)存量市場，所以對于一家本土GPU廠商而言，在市場上直接挑戰(zhàn)已經(jīng)占據(jù)壟斷地位的世界巨頭并非明智之舉，國內(nèi)信創(chuàng)市場是一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

目前，國內(nèi)的信創(chuàng)桌面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，但市場的反饋是一個(gè)字“貴”，而芯動的卡性能好價(jià)格低，打價(jià)格戰(zhàn)是有優(yōu)勢的。

如果只有桌面市場，英偉達(dá)也不會到達(dá)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(dá)。因此，對于像芯動科技這樣的GPU廠商而言，信創(chuàng)市場肯定不是終極目標(biāo)，而是一個(gè)大魚進(jìn)不來的小池塘，方便練兵站穩(wěn)腳跟，然后向更為廣闊和通用的云端市場過渡。

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?！笨梢娮鳛樵钪婊A(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的云渲染市場機(jī)會是巨大的。前面提到了“風(fēng)華1號”其實(shí)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掌握這個(gè)技術(shù)嗎？

事實(shí)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(gè)用戶用，因此編解碼只要支持兩路。而國內(nèi)的手機(jī)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(jià)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(jià)格。因此這些手機(jī)游戲廠商希望一個(gè)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(lán)海市場，由于本土公司可以更貼近這些云游戲廠商的需求，就可以在硬件設(shè)計(jì)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(jìn)軍桌面、筆記本，甚至手機(jī)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(diǎn)“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(gè)賽道能夠吸引大批量資本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需融資的情況下就完成了GPU的架構(gòu)授權(quán)、設(shè)計(jì)、流片、內(nèi)部測試，到量產(chǎn)發(fā)布等工作。高昂的流片的費(fèi)用不說，這年頭光是養(yǎng)幾百人的GPU研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(cái)務(wù)狀況一直不錯(cuò)，但不免擔(dān)心會被“GPU業(yè)務(wù)”拖累。面對這個(gè)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(jìn)行適配，并開始討論訂購、采購的細(xì)節(jié)，后面我們每半年會迭代流片一款產(chǎn)品，做更大的架構(gòu)優(yōu)化迭代工作，如果我們做得好的話，幾年內(nèi)應(yīng)該可以回本。

迭代這么快，還能在短期內(nèi)賺錢，自信哪來？“信創(chuàng)市場做了幾年后，剩下的體量并不大而且對于成本非常敏感，而服務(wù)器顯卡一年有十萬張以上的體量，而且服務(wù)器端的成長特別快，單卡的價(jià)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)市場上實(shí)現(xiàn)盈利比較困難，但是在服務(wù)器端的盈利還是比較有希望的?！?毛鳴明補(bǔ)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，因?yàn)樾緞娱_發(fā)產(chǎn)品需要的IP大多數(shù)是自有的，比如“風(fēng)華1號”中GDDR6x技術(shù)的合作就是個(gè)很好的例子。而對于Chiplet技術(shù)下的GPU來講，能在強(qiáng)大的接口等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)提前驗(yàn)證，確實(shí)是一件事半功倍的事情。