國產(chǎn)GPU為何“一夜殺到老黃城下”？

魚羊 夢晨 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

國產(chǎn)GPU，這波發(fā)展勢頭有點猛啊。

先是芯動科技在去年底推出一顆“風華1號”，劍指高性能桌面級/服務器級顯卡市場。

現(xiàn)在摩爾線程僅用18個月時間，量產(chǎn)上市了一款全功能國產(chǎn)GPU。壁仞科技也緊跟著宣布首款通用GPU芯片點亮成功。

如此速度和成果，甚至引來外界驚嘆：

這是一夕之間就殺到了老黃城墻下的節(jié)奏？

大家最關心的，一是產(chǎn)品本身，性能、價格、啥時能買到。

再就是背后的行業(yè)突然火爆的原因，“怎么就做到了？”、“專利咋就饒過了？”

熱議之中，“IP授權(quán)”一詞也逐漸浮出水面。

比如，在這輪討論中被反復提及的，就有一家名為Imagination的芯片設計廠商。

坊間傳聞，這一波GPU頭部創(chuàng)企的新產(chǎn)品起勢，有不少與其脫不開關系……

中資背景的芯片設計公司

Imagination Technologies，和大名鼎鼎的ARM一樣，這是一家總部位于英國的芯片設計公司，依靠向其他廠商授權(quán)芯片IP，收取授權(quán)費盈利。

早年間，這家公司曾以“蘋果御用IP授權(quán)商”而聞名。

從第一代iPhone到iPhone 7 Plus，A系列芯片中的圖形處理器部分，都是基于Imagination的PowerVR的IP核設計開發(fā)。

事實上，不僅是蘋果，英特爾、三星、聯(lián)發(fā)科、華為海思等都是Imagination的客戶。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2010年，全球售出了超過2.15億枚包含PowerVR技術(shù)的芯片。

2012年，Imagination在移動GPU IP授權(quán)市場占比接近50%。

另外，據(jù)《金融時報》報道，英特爾和蘋果都曾大量持有這家芯片設計公司的股份，以至于該公司一度陷于兩強之間拉鋸戰(zhàn)。

2016年，還有媒體報道蘋果已經(jīng)與Imagination就收購進行了“高級談判”。但最終這項收購案并沒有下文。

一個重大的轉(zhuǎn)折發(fā)生在2017年。

2017年4月，蘋果官宣與Imagination“分手”，開始自研GPU。

這使得Imagination的股價應聲暴跌，跌幅一度超過70%——據(jù)《金融時報》報道，在當時，Imagination有一半以上的收入來自蘋果。

而在此之前，Imagination的GPU業(yè)務本就已遭受來自ARM Mali的沖擊。

ARM為了拓展Mali GPU的市場份額，采取了“買CPU，送GPU”的策略，即購買CPU核授權(quán)，就能享GPU核折扣。

不少媒體評價認為，雖然Imagination在移動GPU技術(shù)上具有領先優(yōu)勢，但ARM的“買一送一”策略還是讓不少手機芯片廠商選擇調(diào)轉(zhuǎn)陣營。

困境之下，最終是一家中資背景的私募基金抬了Imagination一手：主要資金來自國新基金的Canyon Bridge出資5.5億英鎊（約合49億元人民幣）收購了Imagination Technologies。

值得一提的是，Imagination還曾將CPU芯片架構(gòu)MIPS收入囊中，但在牽手Canyon Bridge時對該業(yè)務進行了拆分出售。

雖然如今的移動GPU一號位已經(jīng)被ARM搶占，但Imagination近幾年的發(fā)展勢頭又起來了。

尤其是其在移動光追技術(shù)上的投入，現(xiàn)在已經(jīng)初見成效。

雖然除了芯動科技以外，官方?jīng)]有明確透露有哪些國產(chǎn)芯片廠商與Imagination達成了合作，但完美世界、騰訊游戲、網(wǎng)易游戲等游戲公司都出面為PowerVR Photon這個“移動GPU領域最先進光追架構(gòu)”站過臺。

蘋果也已在2020年1月與Imagination重修舊好，達成了新的多年期授權(quán)協(xié)議。

IP授權(quán)是怎么個玩法

說了這么多，像Imagination這樣的IP供應商，到底在GPU設計開發(fā)的過程中扮演怎樣的角色？

首先要解釋的是，芯片領域說的IP就是知識產(chǎn)權(quán)的那個IP(Intellectual Property)。

已驗證的、可以重復使用的集成電路設計模塊又稱作IP核。

在早期，芯片公司會把自己開發(fā)好的、能完成特定功能的電路做成模塊復用，也就是常說的“不要重復造輪子”。

隨著集成電路規(guī)模越來越大，芯片功能越來越復雜，各類電子產(chǎn)品上市節(jié)奏也在加快。

一家芯片公司很難再獨立完成所有模塊的設計，使用已驗證的成熟IP核就成了降低成本、縮短設計周期的必然選擇和行業(yè)慣例。

專門提供IP核授權(quán)的供應商也從產(chǎn)業(yè)鏈中分化出來。

這方面最大的公司就是ARM，像高通和聯(lián)發(fā)科等手機芯片CPU部分用的ARM Cortex-A710和X2等，就是以IP核形式授權(quán)的微架構(gòu)。

根據(jù)授權(quán)形式，IP核又分軟核、固核和硬核三種。

軟核是用Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的電路模塊，只提供源代碼不涉及硬件部分。

固核是在軟核基礎上完成了門電路層面的設計和驗證，交付的是門級電路網(wǎng)表?(Gate-level Netlist)。

硬核進一步完成了物理上的布局布線、包括仿真驗證等步驟，提供設計階段的最終產(chǎn)品掩膜版圖。

從軟到硬，購買IP核后需要完成的工序越少，可調(diào)整空間也越小。

不過，即使可以從第三方購買IP核，完整的GPU設計仍然不是一件容易的事。

以英偉達最新發(fā)布的Hopper為例，一個全功能GPU架構(gòu)，光是運算部分就包括用于圖像渲染的流處理器、用于數(shù)據(jù)計算的張量單元、再加上光柵化處理單元(ROPs)、光線追蹤單元等。

周邊還有顯存、緩存、視頻解碼、電源管理、PCIe總線接口等。

△ Nvidia Hopper架構(gòu)

根據(jù)IBS統(tǒng)計，7nm制程下單顆芯片中可集成的IP核數(shù)量平均為178個，到5nm還會增長到218個。

要把這么多IP核集成到一起，保證它們之間高效協(xié)作依舊困難重重。

對于軟IP需要做硬化、不同IP之間接口的統(tǒng)一、還有芯片整體的布局設計、整體驗證和測試等……

有任何一點疏忽都可能造成流片失敗，需要從頭再來，上億的流片費用和前期更多投入都血本無歸。

GPU IP核授權(quán)市場上，ARM、Imagination、芯原微電子目前占有率排全球前三。

三家的風格和境遇也不盡相同。

ARM的Mali系列GPU主打移動端，被聯(lián)發(fā)科、三星、華為海思選用。不過海思前景不明，三星也開始著手在AMD架構(gòu)授權(quán)下自研IP。

Imagination更專注于GPU，PowerVR早年性能領先于高通和ARM，但收入來源單一，失去大客戶蘋果后遭重大打擊，正在尋求開拓桌面、車載和高性能計算市場。

芯原微電子(VeriSilicon)是國內(nèi)老牌IP供應商，同時提供一站式芯片設計服務，GPU業(yè)務收購自美國圖芯(Vivante)。現(xiàn)在是國內(nèi)排名第1、全球排名第7的芯片IP授權(quán)服務商。

△圖源：芯原2021年報

國產(chǎn)GPU最近一段時間借助IP授權(quán)多點開花，紛紛流片成功或量產(chǎn)，算是邁出了艱難的第一步。

IP授權(quán)模式除了能減少投入加速回報，還能迅速積累經(jīng)驗、逐步建立起人才隊伍。

有了積累之后，才可能像蘋果、三星一樣攀登架構(gòu)授權(quán)+IP自研之路。

事實上，就連蘋果的自研IP也并非一帆風順，分手3年后又回頭重新與Imagination合作，據(jù)市場傳聞有專利方面的原因。

IP核供應商早已用技術(shù)優(yōu)勢與專利權(quán)構(gòu)筑起護城河，芯片設計公司想繞過就要付出更大的代價。

如手機GPU搭載光線追蹤成為一大趨勢，Imagination與高通走在前面，蘋果如堅持自研，就要繞過已有專利提出新方法，如此則面臨跟不上產(chǎn)品更新?lián)Q代節(jié)奏的風險。

最后，一款GPU能否成功走入市場也不光是硬件的事，配套的編程接口和軟件支持也很重要。

像英偉達能成為GPU市場上的霸主，除了硬件性能強大，CUDA計算平臺生態(tài)也是一大原因。

AMD對應推出的ROCm開放計算平臺，短時間內(nèi)也難以撼動CUDA的統(tǒng)治地位。

像摩爾線程、壁仞科技這樣的國產(chǎn)GPU創(chuàng)業(yè)公司，還有很長的路要走。

國產(chǎn)GPU，為何是現(xiàn)在？

國產(chǎn)芯片創(chuàng)業(yè)上一輪爆發(fā)與AI熱潮同步，聚焦于數(shù)據(jù)計算，也就是各類DPU、NPU。

15年開始，誕生了地平線、寒武紀、燧原這一批AI芯片獨角獸，隨后BAT華為等大廠也紛紛親自下場。

20年下半年開始，資本市場上講出了包括圖形渲染在內(nèi)的全功能GPU的新故事。

壁仞科技、摩爾線程先后成立并大筆融資，芯動科技、兆芯等老牌芯片公司的獨立顯卡項目也在這附近官宣。

這段時間幾件大事，或許都有影響在其中。

首先要說的是，2020年國家全面推廣信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)，其中涉及芯片、服務器的國產(chǎn)替代、自主可控。

芯動科技就把“信創(chuàng)”列為風華1號的主要應用方向之一，還與國產(chǎn)操作系統(tǒng)統(tǒng)信達成生態(tài)合作，完成國產(chǎn)GPU與國產(chǎn)OS的適配。

△芯動科技官網(wǎng)

另外，受全球芯片短缺和挖礦影響，GPU本身的價格也從2020年開始暴漲。

GPU挖礦主要挖的是以太坊，其價格在一年間增長了4.8倍。而在這之前，芯動科技的業(yè)務之一是生產(chǎn)挖比特幣用的ASIC礦機。

△芯動科技官網(wǎng)

最后，元宇宙、數(shù)字人、AR/VR的火爆也把3D圖形計算需求抬到新高度。

壁仞科技在應用方向上透露過重點關注自動駕駛和元宇宙、摩爾線程還特別提出“元計算”。

△摩爾線程官網(wǎng)

如此看來，2020年中段開始創(chuàng)業(yè)或立項，不到2年紛紛拿出量產(chǎn)或流片的成果，就是國產(chǎn)GPU現(xiàn)在的速度。

其中芯動科技的風華1號明確表示使用了Imagination的IMG B系列GPU IP，另外幾家沒有透露具體情況。

PS. 針對Imagination IP授權(quán)一事，我們問了問相關頭部創(chuàng)企，對方未作回應。

參考鏈接：
[1]https://www.imaginationtech.com/products/gpu/
[2]http://sam.zeloof.xyz/ic-design-tools-from-verilog-to-mask/
[3]https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/VHSIC+hardware+description+language

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