英伟达的国产平替，“GPGPU”概念有机会吗？

是不是在标题里看到了一个熟悉又陌生的词？GPGPU，即通用图形处理器（General-Purpose Graphics Processing Unit），它的确是一个从GPU衍生出的概念。如果说GPU是巨头的游戏场，GPGPU就是一块正在快速开发的新市场。果壳硬科技（ID:guokr233）连线天数智芯首席技术官吕坚平，深度探问国产GPGPU突围之路。

本文系“1000家硬科技公司”栏目第3篇，关注GPGPU云端芯片公司天数智芯。

付斌 | 作者

李拓、刘冬宇 | 编辑

果壳硬科技团队 | 策划

GPU的另一种用法

GPU芯片，也就是我们常说的“显卡”，擅长做并行计算；CPU则长于横向计算。两者组成异构计算的一对黄金搭档。

但你我都知道，过去一年里让GPU一直缺货的原因之一，是它“不务正业”的应用，“挖矿”。矿工们将大量显卡安装在一个机架上组成矿机，通过疯狂压榨GPU芯片算力性能来赚取加密货币。

图源 | NVIDIA

计算领域正初步形成“专用”和“通用”的格局。随着人工智能产业爆炸式增长，导致计算复杂化和算力不足，加上CPU并行计算能力不及GPU，使得GPU的通用性计算优势愈发明显，在一众xPU中脱颖而出，成为算力时代VIP。

为了进一步专注通用计算，GPGPU便应运而生。

GPGPU并不比GPU更厉害，只是去掉GPU的图形显示部分，将其余部分全部投入通用计算，并成为AI加速卡（一种并行计算硬件）的核心。

翻开GPU的历史一查，满本都写着两个字是“通用”。

在诞生之初，GPU的重要使命是“跑游戏”。游戏开发商普遍希望利用画面的差异化优势夺得市场，但仅凭调整硬件参数，无法实现独具特色的图形渲染效果，要满足各方需求，就必须增强其通用性。

从上世纪八十年代到2005年，大量专用GPU芯片厂商浮现。芯片遵循摩尔定律，要18~24个月才能迭代，这意味着硬件也只能随之起舞，而彼时处于发展期的图形算法，几个月甚至几周内就会发生巨大进步。

GPU在图形领域的可编程性经历着不断演进的过程，直到2006年，英伟达 CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构），及对应工业标准的OpenCL的出现，让GPU实现更广泛的通用计算功能，GPGPU的概念才算真正落地。

GPU发展历程

在加入天数之前，吕坚平曾在英伟达、英特尔、三星、联发科等众多跨国半导体巨头担任要职，见证了GPU的改变。他坦言，在2000年初在英伟达研发GPU架构之际，团队“头脑风暴”就讨论过“两个图像如何相加”“原有图形上的通用计算如何实现”等问题，彼时就发现GPU可以做很多图形外的计算任务。

后来，英伟达经过多次迭代，发掘了许多图形之外的应用领域，诸如超算、医疗、科学运算等，并获得了不错的回报，并使用GTX/RTX和Tesla两个前缀区分显卡和AI加速卡。

近几年GPU大会显示的趋势是：GPU将会向大规模扩展计算能力的高性能计算（GPGPU）、人工智能计算（AIGPU）、更加逼真的图形展现（光线追踪 Ray Tracing GPU)三大主要方向发展^[1]。

GPGPU是GPU未来重要趋势之一，也是国产的一次机会。

入场门槛极高，却诞生了一个奇迹

在显卡这个成熟市场，强势的英伟达、AMD令后来者难以立足，加之支持桌面级显示和游戏渲染的显卡，背后需要很多技术支持和迭代，因此市场由国外巨头长期把控。不过，该领域并非没有“叫板者”，只是门槛过高，强如Intel，也难以如愿。自1998年推出第一款GPU i740、2007年推出Larrabee都相继失败，而当这家巨头重启独立GPU计划时，已是2020年。

通过GPGPU占领市场，成为国产厂商的另一个选项，这是天数选择GPGPU赛道的原因。

实际上，巨头也做GPGPU，只不过，不同之处是：巨头如英伟达和AMD，在定制“数据中心级GPU”（实即GPGPU）时，只是删除了显示接口，留下图形部分；国产后进者在研发GPGPU时，则不仅去掉了GPU的显示功能，还去掉了图形渲染功能。去掉的功能虽多，但由于国产厂商的研发工作从零开始，难度依然与GPU相当。

高算力的GPGPU芯片，底层硬件如同迷宫，设计和生产的要求十分复杂、专业和苛刻。GPGPU芯片上会放很多运算单元，让这些运算单元最适当组合并拥有最高的运算效率实现难度极大，一个部分计算单位效率不佳，对整个芯片的影响将放大上千倍。

芯片量产前还要经历冗长的设计测试流程。通常一款高端芯片前端和后端设计要耗时1~3年，设计完成后流片环节需要3~6个月，期间还会有流片失败一切重来的风险。即使成功流片，还需经过3~12个月的产品测试调优，才能开启量产。

天数则用三年时间发布了“天垓芯片”，是唯一一款量产的国产全自研GPGPU芯片，一举打破国外巨头多年的市场垄断。

“天垓芯片”大事记，制图 | 果壳硬科技

根据天数官方数据显示，“天垓芯片”以同类产品1/2的芯片面积、更低的功耗，达到了世界先进水平。

该芯片采用7nm制程、容纳240亿晶体管及采用2.5D CoWoS晶圆封装技术，支持单精 （FP32）及半精 （FP16）等混合精度训练，多机多卡互联，单卡半精度算力每秒147T，单精度性能可达每秒37T。笔者查阅英伟达Tesla V100的参数表显示^[2]，单精度性能可达每秒14T（PCle）/15.7T（SXM2），在单精度性能上“天垓芯片”性能是Tesla V100的2倍。

“天垓芯片”参数指标

“可以用奇迹来形容，毕竟英伟达做了很多年，我们第一代就有了这种性能。这也要得益于核心团队在GPU领域耕耘多年。”

国产满满的机遇，一个策略是关键

吕坚平向笔者展示一组数据显示，2019年中国GPU芯片板卡市场规模为86亿元，2025年将会达到258亿元，增长将近3倍，年复合增长率高达32%。GPGPU将持续“瓜分”整体市场，更多场景将仰赖通用计算，包括数据中心、互联网甚至未来的元宇宙。

他认为国产厂商在GPGPU上有两个机遇。

其一，GPGPU较容易有利润和市场空间。一方面并行计算与AI推理训练的价值远远超过显卡，每张单卡的价格比较友好；另一方面人工智能也是较为新兴的市场，整个业界包括英伟达都在摸索阶段，对于新创公司来说，不会输在起跑线上。

其二，国内厂商正在寻求英伟达以外的替代供应商，这样不仅有更多的可选余地，也能保证货源安全。此外，在自主可控大趋势下，国产企业抱团取暖才能打破垄断的枷锁。

天数的GPGPU芯片能应用在计算视觉、智能语音、智能推荐、自然语言处理在内的AI领域和深度学习、智能制造、生命科学、物理科学、地球科学在内的HPC高性能计算领域。

“天数是国内唯一一家拥有GPGPU产品的公司，从目前已采用天数产品的客户回馈来看，都相当正面。”他说，“这个过程非常艰难，因为客户用的都是国外的产品，天数也采用了兼容主流GPGPU生态的策略，让客户更容易迁移。”

吕坚平表示，天数的底层架构和软件完全自主研发，在面对风险问题时，除采取各种规避风险的方法，还会尽量凸显自主架构的优势，不依赖最新的制程。

官方网站^[3]显示，天数还与国内重要行业伙伴一起，从源头对设计定义和本土优化，为大规模商业化做准备。

摩尔定律之外，是GPGPU的未来

每当算力芯片发展受阻，总会有人跳出来高呼“摩尔定律已死”。21世纪初，摩尔定律老化，导致CPU时钟速度竞赛戛然而止。时隔多年，在纳米节点逐渐接近1nm时，业界总要讨论：是延续摩尔定律，还是另辟蹊径。

为此，吕坚平曾发表文章，跳出过去芯片设计窠臼，以可微分GPU及可微分ISP为例，提倡以AI为本的可微分硬件理念。希望借此可重振软硬件彼此加持的雄风，缓解甚至逆转摩尔定律衰退^[4]。

吕坚平预测，GPU硬件/软件界面将继续使GPU成为“AI世界的CPU”，基于 AI渲染会让张量加速成为GPU中的主流。虚拟世界和现实世界互相映射的数字孪生理念将主导市场，最终解决架构争论^[5]。

天数表示，未来将会越过传统，跳接回归GPGPU的新图形标准、使核心图形硬件可微分，以便可以运用可微分的图形硬件制作更强的AI，以及运用AI带动更优越的可微分图形硬件^[6]。

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References：

[1] 熊庭刚. GPU的发展历程、未来趋势及研制实践[J].微纳电子与智能制造, 2020, 2(2): 36-40.

[2] NVIDIA V100规格表, https://www.nvidia.com/en-us/data-center/v100/

[3] 天数智芯官方网站, https://www.iluvatar.com.cn/

[4] CP Lu,PhD. How AI Might Help Revive the Virtuous Cycle of Moore’s Law, 2021.10.09, https://towardsdatascience.com/differentiable-hardware-9bb03aad4563

[5] CP Lu,PhD. Will The GPU Star in A New Golden Age of Computer Architecture?, 2021.07.22, https://medium.com/m/global-identity?redirectUrl=https%3A%2F%2Ftowardsdatascience.com%2Fwill-the-gpu-star-in-a-new-golden-age-of-computer-architecture-3fa3e044e313

[6] 天数智芯官方网站, 由GPGPU带领更先进的图形，让AI启动元宇宙及数字孪生的应用, 2021.11.10, https://www.iluvatar.com.cn/newsinfo/yougpgpuda/

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