国产GPU的第一缕光：自研架构“天狼星”在京亮相
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华夏时报（www.chinatimes.net.cn）记者 柳川 陈锋 北京报道
不久前，对于美国对中国芯片业的打压，英伟达首席执行官黄仁勋接受媒体采访时说：“无法向美国采购GPU芯片，将促使中国自行研发设计制造。”
黄仁勋的话很快就得到应验。6月15日，国产自主GPU架构“天狼星”鉴定及发布会在北京举办。据悉，中天恒星研发团队由卡内基梅隆大学电子与计算机工程博士、清华大学软件学院、微电子学研究所副教授、NVIDIA合作教授邓仰东博士率领。此次发布的“天狼星”主要有三个技术优势：突出性价比优势、拥有完全自主知识产权、完备的交付能力。
中天恒星联合创始人、总架构师邓仰东博士对《华夏时报》记者表示：“很多国产的GPU的IP授权主要购买自第三方，中天恒星的路线有所不同，核心的图形引擎是完全自主设计的，所以3D图形引擎这块不涉及到别人的知识产权，也没有IP的问题，全部是我们自己拥有，从0到完整架构的实现都是我们自主的技术。”
国产自主GPU架构“天狼星”出世
GPU（Graphic Processing Unit）即图形处理器，是数字世界图形内容生成的基石，不管是桌面应用、游戏、电影、数字孪生还是元宇宙；与此同时，强大的并行计算能力业已成为各种应用加速的主流手段，正广泛应用于科学计算和人工智能。然而，我国GPU芯片基本全部依赖进口。随着美国不断加码限制英伟达、AMD向我国供应高端GPU芯片，我国进口GPU也受到极大的限制。
6月15日，国产自主GPU架构“天狼星”鉴定及发布会在北京举办。“天狼星”由国内企业中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，简称中天恒星/ATS）自主研发。
中天恒星研发团队由卡内基梅隆大学电子与计算机工程博士、清华大学软件学院、微电子学研究所副教授、NVIDIA合作教授邓仰东博士率领。
资料显示，邓博士是GPU通用计算最早研究人员之一，被誉为“GPU通用计算先行者”。邓长期从事图形处理器体系结构、并行计算研究和芯片产品开发工作；曾设计出全球第一个基于FPGA的GPU仿真平台；研究成果在ISCA、MICRO、等顶级会议和期刊发表。
据悉，“天狼星”GPU架构有七大亮点：一是具有3D图形引擎+2D图形加速+视频引擎。二是自主可控/灵活优化的指令集和VLIW/SIMD机器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/灵活优化的指令集，保证GPU芯片迭代的软件兼容。三是SIMT计算框架，充分利用图形应用的数据并行性。四是支持物理真实渲染。五是，包括SIMT独立指令执行单元、以32位浮点ALU为基础的统一图形架构以及集成寄存器堆、纹理/数据缓存。六是延迟聚集式全局线程调度技术。七是具有良好性能伸缩性的片上互联架构。
此次发布的“天狼星”主要有三个技术优势：第一、面向亿级订单市场，以独立显卡GPU芯片主流产品为突破口，瞄准需求广阔、增长强劲的亿级刚需市场，突出性价比优势；第二、拥有完全自主知识产权，以清华大学超过10年研究基础为依托的自研核心架构，确保产品迭代自主可控。以基础理论研究为基础，从数学公式推导开始，从架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现、驱动开发等环节全部正向设计。核心架构完整知识产权，已申请专利和著作权数百项，数十项已获授权；相关研究成果发表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊；第三、完备的交付能力，上下游产业链准备充分，确保产品量产自主可控；芯片设计完成全面验证，确保流片成功；软硬件接口符合国际标准，确保芯片装机即可使用，包括操作系统认证等。
对于“天狼星”架构，上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武向《华夏时报》记者分析：“中天恒星自研架构，有这几个特点：一是3D图形渲染。二是指令集的自主可控，这是非常不容易的。三是它的框架结构，包括在整个储存器当中的DDR4实现高速存储，这个设计也是比较领先的架构，中天恒星都用上了。”
他进一步表示：“这决定了未来的产品用途非常广泛。中天恒星的切入点在显示领域，我觉得显示领域非常广阔，我相信在黄总的带领下，中天恒星一定会从架构到产品，最后能够使我们的产品在全球落地。”
逐步量产
目前，全球GPU市场主要由英伟达、英特尔和AMD三家巨头垄断，去年四季度独立GPU份额分别为85%、6%、9%。其中，人工智能、云端计算和独立GPU主要为英伟达主导，A100和H100最高浮点算力分别实现19.5 TFLOPS 和67 TFLOPS。
相较于此，中国国产GPU尚处萌芽期，与国际厂商差距更大。但随着高端GPU的出口限令，针对中国市场推出的特供版A800也已涨10万元的高价，国内GPU市场需求紧迫。
在此情形下国产化迫在眉睫，国产GPU厂商近几年也不断涌现，目前国内自研GPU的领军企业主要是寒武纪、景嘉微、华为昇腾等。
事实上，自研GPU架构存在极高的技术挑战。
邓仰东分析指出：“GPU设计有几个地方非常复杂：一个是架构级的设计，这其实是个统筹的艺术。GPU本身的资源，难的是如何配合起来实现整体性能最优。换言之，如何通过统筹协调，能够适应绝大多数图形应用。在大多数情况下，均衡的设计保持性能每秒至少30帧，这是一个极具挑战的地方。二是，架构仿真的时间非常长，需要经验也需要直觉，去找出架构问题到底出在哪里。这方面也是一个很大的挑战，需要有多年的积累才能去做这件事。”
2019年，第一代“天狼星”架构芯片设计验证完成；2021年，第一代“天狼星”架构GPU诞生；2022年，定义第二代GPU架构“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架构GPU实现量产。
GPU架构取名为“天狼星”有着独特的寓意，中天恒星创始人黄永博士指出：“我们的架构全部是以恒星来命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出来有超一流、卓越的含义。第二代架构命名为大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因为距离地球更远，所以看起来没有天狼星亮；实际上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太阳的110倍。”
据悉，2024年，中天恒星会继续优化基于“天狼星”架构的GPU。2025年，将量产第二代GPU架构“大角星”。
国际信息显示学会北京分会理事长严群博士则向《华夏时报》记者表示：“我觉得现在真是一个很好的时机，要抓住它，潮流也在往这个方向走，机会非常多。我们如果能够逐步上去的话，我们不见得会比现在西方的有些国家的东西落后，因为你抓的点是更高层级的点。”
郭奕武认为：“现在正好是非常好的关口，即产业革命和新技术革命的兴起，大家也看到包括云计算、数字化、智能汽车、云端到边缘等等，这些产业化以后，都需要大算力，也就是我们所说的GPU。所以我们赶上的时机非常好，未来随着新的技术产业革命的发展，这个方面的空间是非常大的。”
