如何通過(guò)GPU架構(gòu)改善功耗問(wèn)題，避開英偉達(dá)主戰(zhàn)場(chǎng)尋找藍(lán)海

來(lái)源:于與非網(wǎng)eefocus

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(lái)了技術(shù)壁壘的不斷高筑，GPU戰(zhàn)場(chǎng)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(jià)權(quán)，現(xiàn)在一張高端的GPU顯卡，市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)十幾萬(wàn)元，相當(dāng)于一輛普通小轎車的價(jià)格。再加上國(guó)內(nèi)需求的差異化，巨頭們?cè)诙ㄖ品矫娲_實(shí)存在心力不足的問(wèn)題，所以GPU自主可控下的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)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(lái)。不過(guò)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(lái)的JM9231實(shí)測(cè)浮點(diǎn)算力能達(dá)到1.5T FLOPS。所以上個(gè)月芯動(dòng)科技發(fā)布的4K級(jí)顯卡GPU芯片“風(fēng)華1號(hào)”變得格外搶眼。

根據(jù)芯動(dòng)云計(jì)算總裁敖海的介紹，“‘風(fēng)華1號(hào)’GPU成倍提升了現(xiàn)有國(guó)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。”

芯動(dòng)科技SoC體系架構(gòu)師何穎表示：“如果單從芯片的算力來(lái)看，‘風(fēng)華1號(hào)’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(duì)標(biāo)英偉達(dá)Tesla T4 GPU（FP32 / 8.1T FLOPS，渲染能力/254.4 GPixel/s）。”

“GPU賽道足夠大，目前英偉達(dá)的市值有七千多億，而芯動(dòng)科技的目標(biāo)就是做中國(guó)的英偉達(dá)”，芯動(dòng)科技工程副總毛鳴明補(bǔ)充道。

后摩爾時(shí)代

如何通過(guò)GPU架構(gòu)改善功耗問(wèn)題？

眾所周知，算力和計(jì)算平臺(tái)的性能不能劃等號(hào)，對(duì)于GPU來(lái)說(shuō)，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(dòng)？于是我們自然而然會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，為什么GPU發(fā)展了這么長(zhǎng)時(shí)間，功耗還是一步步增長(zhǎng)到了這么大的地步？

“這是因?yàn)?a target="_blank">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(dòng)端GPU的優(yōu)點(diǎn)，做出真正好的GPU”，何穎如是說(shuō)。

那么芯動(dòng)科技用的GPU架構(gòu)是什么樣的？我們都知道芯動(dòng)科技拿了Imagination的GPU核 IP授權(quán)，而這個(gè)授權(quán)的GPU IP正是移動(dòng)端級(jí)別的，所以在能效比上存在天生的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

拿了Imagination的IP

國(guó)產(chǎn)GPU還算自主可控嗎？

圖源 |?im2maker.com

講到這里，你是否會(huì)提出疑問(wèn)，架構(gòu)級(jí)IP都是買來(lái)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)，所以進(jìn)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(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可以用于移動(dòng)，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(gè)GPU放大到能夠適應(yīng)桌面上強(qiáng)渲染的要求。所以，你會(huì)說(shuō)蘋果沒有自主可控嗎？

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(jiǎn)單的堆核了，如何講這些核有機(jī)地調(diào)用起來(lái)，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(dòng)科技的方案特色就是Chiplet，通過(guò)Chiplet來(lái)打破算力的限制。此外，做大核還必須要配合API接口的升級(jí)，圖像GPU領(lǐng)域趨勢(shì)的跟進(jìn)，以及盡量把算力做起來(lái)。

說(shuō)到算力，其實(shí)前面也有提到“風(fēng)華1號(hào)”用的是一個(gè)移動(dòng)端的架構(gòu)，雖然有它功耗和做云游戲的天生優(yōu)勢(shì)，但也存在一些架構(gòu)弱勢(shì)，所以如何把原生移動(dòng)端的架構(gòu)拓展到高性能計(jì)算、云計(jì)算的場(chǎng)景也是芯動(dòng)科技要做的最重要的事情之一，這時(shí)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(shí)要做的事情還是很多，這也是目前市場(chǎng)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(hào)”80%以上的IP都是屬于自主研發(fā)。

不過(guò)，哪天真的上了美國(guó)的黑名單，不讓流片的風(fēng)險(xiǎn)總是會(huì)存在的，這不是一家公司能解決的問(wèn)題。真到那個(gè)時(shí)候，芯動(dòng)科技已經(jīng)流片好幾代，并且已經(jīng)拿到的授權(quán)對(duì)方是拿不走的，就像當(dāng)初華為被禁的時(shí)候已經(jīng)有了ARM授權(quán)，后面還能用是一個(gè)意思，所以相對(duì)自主可控。

在小池塘練兵

避開英偉達(dá)主戰(zhàn)場(chǎng)尋找藍(lán)海

“桌面市場(chǎng)如果一上來(lái)就想跟行業(yè)巨頭正面地進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，你會(huì)死得很慘”，毛鳴明如是說(shuō)，“每個(gè)市場(chǎng)都有很細(xì)分的點(diǎn)，比如做桌面，可以先做線上市場(chǎng)，做國(guó)產(chǎn)化的統(tǒng)信70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(guó)外的巨頭?！?/p>

確實(shí)，桌面市場(chǎng)是一個(gè)存量市場(chǎng)，所以對(duì)于一家本土GPU廠商而言，正面PK不可行，所以在中國(guó)政策的扶持下，信創(chuàng)市場(chǎng)是一個(gè)可行的切入口。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研的數(shù)據(jù)顯示，2023年全球計(jì)算產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)空間將達(dá)到1.14萬(wàn)億美元，中國(guó)計(jì)算產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模計(jì)算，2023年中國(guó)信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將突破3650億元，市場(chǎng)容量將突破萬(wàn)億。

對(duì)于國(guó)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(gè)字“貴”，所以這里面有很大的國(guó)產(chǎn)替代空間。

不過(guò)如果只有桌面市場(chǎng)，英偉達(dá)也不會(huì)是萬(wàn)億級(jí)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(duì)于像芯動(dòng)科技這樣的GPU廠商而言，信創(chuàng)市場(chǎng)不是終極目標(biāo)，而是一個(gè)大魚進(jìn)不來(lái)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(chǎng)過(guò)渡。

對(duì)于云端市場(chǎng)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(huì)爆炸式的需求，我們不一定會(huì)做GPU?！笨梢娮鳛樵钪婊A(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的云渲染市場(chǎng)之巨大。不過(guò)對(duì)于本土廠商來(lái)說(shuō)，如何抓住市場(chǎng)錨點(diǎn)生存下來(lái)呢？毛鳴明很有自信地表示，“給我一個(gè)抓手，再給我一兩年時(shí)間迭代兩三款產(chǎn)品，就能站住腳。”

那么他口中的抓手除了前面提到的信創(chuàng)市場(chǎng)還有其他嗎？答案是云游戲市場(chǎng)。前面提到了“風(fēng)華1號(hào)”其實(shí)用的是一款移動(dòng)端內(nèi)核架構(gòu)，有做云游戲的天生優(yōu)勢(shì)。但是那些巨頭們難道不能掌握這個(gè)技術(shù)嗎？

事實(shí)上，作為國(guó)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(guó)內(nèi)的手機(jī)游戲廠商比較多，中國(guó)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(chǎng)，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(jì)和定制化方面做一些有差異化的東西，從而生存下來(lái)。當(dāng)然，跟著云渲染指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的事態(tài)，未來(lái)它們也可以進(jìn)軍桌面、筆記本，甚至手機(jī)市場(chǎng)。不過(guò)，國(guó)產(chǎn)GPU當(dāng)前最重要的任務(wù)依舊是API升級(jí)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(chǎng)側(cè)的一些分析，下面我們來(lái)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(duì)GPU的市場(chǎng)熱有所了解，高規(guī)格、市場(chǎng)容量大、國(guó)體替代緊迫等關(guān)鍵詞是這個(gè)賽道能夠大批量吸收市場(chǎng)熱錢的原因所在。

正是在這樣的大背景下，你可能不會(huì)相信芯動(dòng)科技竟然是在無(wú)融資的條件下完成了GPU的架構(gòu)授權(quán)、設(shè)計(jì)、流片、內(nèi)部測(cè)試，到量產(chǎn)版本的發(fā)布工作。12nm的流片的費(fèi)用不說(shuō)，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(dòng)科技原來(lái)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(huì)被“GPU業(yè)務(wù)”拖累。面對(duì)這個(gè)追問(wèn)，毛鳴明給出的答案是——“風(fēng)華1號(hào)”正在和騰訊、聯(lián)通等大廠進(jìn)行適配，中國(guó)年以后會(huì)開始討論訂購(gòu)、采購(gòu)的細(xì)節(jié)，后面我們每半年會(huì)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(lái)？“信創(chuàng)市場(chǎng)一年有幾百萬(wàn)張卡的體量，服務(wù)器顯卡一年有十萬(wàn)張或者幾十萬(wàn)張的體量，而且服務(wù)器端的成長(zhǎng)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(chǎng)上做盈利比較難，因?yàn)樗旧砥蛴谥械投说氖袌?chǎng)，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(duì)于IP廠商而言，在流片方面存在一些優(yōu)勢(shì)，據(jù)芯動(dòng)科技的描述，過(guò)去200多次，5億美金的流片都是免費(fèi)的，當(dāng)然這個(gè)主要是針對(duì)IP。因?yàn)榇S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(diǎn)擴(kuò)充它的IP庫(kù)，比如“風(fēng)華1號(hào)”中GDDR6x技術(shù)的合作就是個(gè)很好的例子。而對(duì)于Chiplet技術(shù)下的GPU來(lái)講，如果能做接口等技術(shù)上的提前驗(yàn)證，是一件事半功倍的事情。

審核編輯：符乾江