GPU（Graphic Processing Unit）即圖形處理器，是數字世界圖形內容生成的基石，不管是桌面應用、游戲、電影、數字孿生還是元宇宙；與此同時，強大的并行計算能力業已成為各種應用加速的主流手段，正廣泛應用于科學計算和人工智能。然而，我國GPU芯片基本全部依賴進口。隨著美國不斷加碼限制英偉達、AMD向我國供應高端GPU芯片，我國進口GPU也受到極大的限制。這些多重因素，更加促使國產GPU企業奮起直追。

6月15日，國產自主GPU架構“天狼星”鑒定及發布會在北京舉辦。

(資料圖片)

GPU架構“天狼星”出世

GPU架構“天狼星”由國內企業中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡稱中天恒星/ATS）自主研發。

中天恒星研發團隊由卡內基梅隆大學電子與計算機工程博士、清華大學軟件學院、微電子學研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領。鄧博士是GPU通用計算最早研究人員之一，被譽為“GPU通用計算先行者”。鄧博士長期從事圖形處理器體系結構、并行計算研究和芯片產品開發工作；曾設計出全球第一個基于FPGA的GPU仿真平臺；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級會議和期刊發表。鄧博士撰寫多部教材和專著，其中《數字集成系統的結構化設計與高層次綜合》入選清華大學及多所大學研究生教材，《異構處理器OpenCL編程導論》是國內GPU異構計算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三維集成電路的第一部專著。

“天狼星”GPU架構有幾大亮點：一是具有3D圖形引擎+2D圖形加速+視頻引擎。二是自主可控/靈活優化的指令集和VLIW/SIMD機器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/靈活優化的指令集，保證GPU芯片迭代的軟件兼容。三是SIMT計算框架，充分利用圖形應用的數據并行性( DATE’12.ICCD"13,TVLSI15)。四是支持物理真實渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA"14.15)。五是ShaderCore(Graphics ProcessingCluster)，包括SIMT獨立指令執行單元、以32位浮點ALU為基礎的統一圖形架構(ICCD13)以及集成寄存器堆、紋理/數據緩存。六是延遲聚集式全局線程調度技術(ISCA20、TPDS21、TCAD"21)。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯架構(MICRO"20、TPDS’21)。

此次發布的天狼星的主要有三個技術優勢：第一、面向億級訂單市場，以獨立顯卡GPU芯片主流產品為突破口，瞄準需求廣闊、增長強勁的億級剛需市場，突出性價比優勢；第二、擁有完全自主知識產權，以清華大學超過10年研究基礎為依托的自研核心架構，確保產品迭代自主可控。以基礎理論研究為基礎，從數學公式推導開始，從架構設計、算法模型、原理驗證、硬件實現、驅動開發等環節全部正向設計。核心架構完整知識產權，已申請專利和著作權數百項，數十項已獲授權；相關研究成果發表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊；第三、完備的交付能力，上下游產業鏈準備充分，確保產品量產自主可控；芯片設計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬件接口符合國際標準，確保芯片裝機即可使用，包括操作系統認證：Windows WHQL；API認證：Open GL Conformance Test；外圍接口認證：HDMI DP CTS；專業測試認證：PHYlayer和LIINK layer；質量體系認證：顯卡3C認證（中國）、 日本VCCI 、歐盟CE、美國FCC。

得到業界專家高度認可

當前,Imagination和Vivante兩家公司是主要IP來源，這些IP主要是針對移動應用的GPU內核，不適合桌面應用。此外，購買第三方的IP，難以形成成熟的圖形顯卡級GPU，核心電路專利無法自控和自主迭代。

中天恒星聯合創始人、總架構師鄧仰東博士表示：“很多國產的GPU的IP授權主要購買的第三方。中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎完全自主設計的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識產權，也沒有IP的問題，全部是我們自己擁有，從0到完整架構的實現，都是我們自主的技術。”

自研GPU架構存在極高的技術挑戰。鄧仰東分析指出：“GPU設計有幾個地方非常復雜：一個是架構級的設計，這其實是個統籌的藝術。GPU本身的資源，在所謂的uni版的shader，所有的計算資源是一樣的，大家都用32比特或者64比特的浮點運算單元，這是一個配合的問題。有很多個核共享L2的cash，然后每個核內有自身的計算單元，還有通往片外的各種通道，實際上片上還有一些針對圖形的，比如像紋理的緩存；這些雖然很容易知道是什么樣的模塊，難的是如何配合起來實現整體性能最優。換言之，如何通過統籌協調，能夠適應絕大多數圖形應用。在大多數情況下，均衡的設計保持性能每秒至少30幀，這是一個極具挑戰的地方。二是，架構仿真的時間非常長，需要經驗也需要直覺，去找出架構問題到底出在哪里。這方面也是一個很大的挑戰，需要有多年的積累才能去做這件事。”

克服重重考驗終將“亮劍”

依托研發團隊多年研究成果，中天恒星從數學公式推導開始，架構設計、算法模型、原理驗證、硬件實現和驅動開發等環節全部正向設計，核心IP完全自主可控，擁有圖形GPU完整知識產權，并已申請專利和著作權數百項，其中25項已獲授權，相關研究成果發表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊。

2019年，第一代“天狼星”架構芯片設計驗證完成。2021年，第一代“天狼星”架構GPU誕生；2022年，定義第二代GPU架構“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架構GPU實現量產。

GPU架構取名為“天狼星”有著獨特的寓意，中天恒星創始人黃永博士指出：“我們的架構全部是以恒星來命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出來有超一流、卓越的含義。第二代架構命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因為距離地球更遠，所以看起來沒有天狼星亮；實際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍。”

據悉，2024年，中天恒星會繼續優化基于“天狼星”架構的GPU。2025年，將量產第二代GPU架構“大角星”。

國產自研“天狼星”GPU架構的推出，無疑推動國產GPU芯片朝前邁出一個新的高度。

當前,美國對中國的科技打壓仍在繼續，對中國限制供應高端GPU芯片的打壓不會減弱。國內的國產替代處在深入推進期，國內下游應用市場采購國內自主可控的芯片的自主性和迫切性更強，這進一步激發中國企業自研GPU芯片的熱情，為國產GPU的發展提供了巨大的助力。

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