國(guó)產(chǎn)GPU為何一夜殺到老黃城下？

魚(yú)羊 夢(mèng)晨 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

國(guó)產(chǎn)GPU，這波發(fā)展勢(shì)頭有點(diǎn)猛啊。

先是芯動(dòng)科技在去年底推出一顆“風(fēng)華1號(hào)”，劍指高性能桌面級(jí)/服務(wù)器級(jí)顯卡市場(chǎng)。現(xiàn)在摩爾線程僅用18個(gè)月時(shí)間，量產(chǎn)上市了一款全功能?chē)?guó)產(chǎn)GPU。壁仞科技也緊跟著宣布首款通用GPU芯片點(diǎn)亮成功。

如此速度和成果，甚至引來(lái)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(guān)心的，一是產(chǎn)品本身，性能、價(jià)格、啥時(shí)能買(mǎi)到。再就是背后的行業(yè)突然火爆的原因，“怎么就做到了？”、“專(zhuān)利咋就饒過(guò)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(fù)提及的，就有一家名為Imagination的芯片設(shè)計(jì)廠商。坊間傳聞，這一波GPU頭部創(chuàng)企的新產(chǎn)品起勢(shì)，有不少與其脫不開(kāi)關(guān)系……

中資背景的芯片設(shè)計(jì)公司

Imagination Technologies，和大名鼎鼎的ARM一樣，這是一家總部位于英國(guó)的芯片設(shè)計(jì)公司，依靠向其他廠商授權(quán)芯片IP，收取授權(quán)費(fèi)盈利。

早年間，這家公司曾以“蘋(píng)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

事實(shí)上，不僅是蘋(píng)果，英特爾、三星、聯(lián)發(fā)科、華為海思等都是Imagination的客戶(hù)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2010年，全球售出了超過(guò)2.15億枚包含PowerVR技術(shù)的芯片。2012年，Imagination在移動(dòng)GPU IP授權(quán)市場(chǎng)占比接近50%。

另外，據(jù)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，英特爾和蘋(píng)果都曾大量持有這家芯片設(shè)計(jì)公司的股份，以至于該公司一度陷于兩強(qiáng)之間拉鋸戰(zhàn)。

2016年，還有媒體報(bào)道蘋(píng)果已經(jīng)與Imagination就收購(gòu)進(jìn)行了“高級(jí)談判”。但最終這項(xiàng)收購(gòu)案并沒(méi)有下文。

一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折發(fā)生在2017年。

2017年4月，蘋(píng)果官宣與Imagination“分手”，開(kāi)始自研GPU。這使得Imagination的股價(jià)應(yīng)聲暴跌，跌幅一度超過(guò)70%——據(jù)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，在當(dāng)時(shí)，Imagination有一半以上的收入來(lái)自蘋(píng)果。

而在此之前，Imagination的GPU業(yè)務(wù)本就已遭受來(lái)自ARM Mali的沖擊。

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

不少媒體評(píng)價(jià)認(rèn)為，雖然Imagination在移動(dòng)GPU技術(shù)上具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但ARM的“買(mǎi)一送一”策略還是讓不少手機(jī)芯片廠商選擇調(diào)轉(zhuǎn)陣營(yíng)。

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(lái)自國(guó)新基金的Canyon Bridge出資5.5億英鎊（約合49億元人民幣）收購(gòu)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(shí)對(duì)該業(yè)務(wù)進(jìn)行了拆分出售。

雖然如今的移動(dòng)GPU一號(hào)位已經(jīng)被ARM搶占，但I(xiàn)magination近幾年的發(fā)展勢(shì)頭又起來(lái)了。

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

雖然除了芯動(dòng)科技以外，官方?jīng)]有明確透露有哪些國(guó)產(chǎn)芯片廠商與Imagination達(dá)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(gè)“移動(dòng)GPU領(lǐng)域最先進(jìn)光追架構(gòu)”站過(guò)臺(tái)。

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

IP授權(quán)是怎么個(gè)玩法

說(shuō)了這么多，像Imagination這樣的IP供應(yīng)商，到底在GPU設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中扮演怎樣的角色？

首先要解釋的是，芯片領(lǐng)域說(shuō)的IP就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的那個(gè)IP(Intellectual Property)。已驗(yàn)證的、可以重復(fù)使用的集成電路設(shè)計(jì)模塊又稱(chēng)作IP核。

在早期，芯片公司會(huì)把自己開(kāi)發(fā)好的、能完成特定功能的電路做成模塊復(fù)用，也就是常說(shuō)的“不要重復(fù)造輪子”。

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

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

專(zhuān)門(mén)提供IP核授權(quán)的供應(yīng)商也從產(chǎn)業(yè)鏈中分化出來(lái)。這方面最大的公司就是ARM，像高通和聯(lián)發(fā)科等手機(jī)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(yǔ)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(chǔ)上完成了門(mén)電路層面的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，交付的是門(mén)級(jí)電路網(wǎng)表 (Gate-level Netlist)。

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

從軟到硬，購(gòu)買(mǎi)IP核后需要完成的工序越少，可調(diào)整空間也越小。

不過(guò)，即使可以從第三方購(gòu)買(mǎi)IP核，完整的GPU設(shè)計(jì)仍然不是一件容易的事。

以英偉達(dá)最新發(fā)布的Hopper為例，一個(gè)全功能GPU架構(gòu)，光是運(yùn)算部分就包括用于圖像渲染的流處理器、用于數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)，7nm制程下單顆芯片中可集成的IP核數(shù)量平均為178個(gè)，到5nm還會(huì)增長(zhǎng)到218個(gè)。

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(duì)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(shè)計(jì)、整體驗(yàn)證和測(cè)試等……

有任何一點(diǎn)疏忽都可能造成流片失敗，需要從頭再來(lái)，上億的流片費(fèi)用和前期更多投入都血本無(wú)歸。

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

三家的風(fēng)格和境遇也不盡相同。

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

Imagination更專(zhuān)注于GPU，PowerVR早年性能領(lǐng)先于高通和ARM，但收入來(lái)源單一，失去大客戶(hù)蘋(píng)果后遭重大打擊，正在尋求開(kāi)拓桌面、車(chē)載和高性能計(jì)算市場(chǎng)。

芯原微電子(VeriSilicon)是國(guó)內(nèi)老牌IP供應(yīng)商，同時(shí)提供一站式芯片設(shè)計(jì)服務(wù)，GPU業(yè)務(wù)收購(gòu)自美國(guó)圖芯(Vivante)?，F(xiàn)在是國(guó)內(nèi)排名第1、全球排名第7的芯片IP授權(quán)服務(wù)商。

△圖源：芯原2021年報(bào)

國(guó)產(chǎn)GPU最近一段時(shí)間借助IP授權(quán)多點(diǎn)開(kāi)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(bào)，還能迅速積累經(jīng)驗(yàn)、逐步建立起人才隊(duì)伍。

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

事實(shí)上，就連蘋(píng)果的自研IP也并非一帆風(fēng)順，分手3年后又回頭重新與Imagination合作，據(jù)市場(chǎng)傳聞?dòng)袑?zhuān)利方面的原因。

IP核供應(yīng)商早已用技術(shù)優(yōu)勢(shì)與專(zhuān)利權(quán)構(gòu)筑起護(hù)城河，芯片設(shè)計(jì)公司想繞過(guò)就要付出更大的代價(jià)。

如手機(jī)GPU搭載光線追蹤成為一大趨勢(shì)，Imagination與高通走在前面，蘋(píng)果如堅(jiān)持自研，就要繞過(guò)已有專(zhuān)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(fēng)險(xiǎn)。

最后，一款GPU能否成功走入市場(chǎng)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(dá)能成為GPU市場(chǎng)上的霸主，除了硬件性能強(qiáng)大，CUDA計(jì)算平臺(tái)生態(tài)也是一大原因。

AMD對(duì)應(yīng)推出的ROCm開(kāi)放計(jì)算平臺(tái)，短時(shí)間內(nèi)也難以撼動(dòng)CUDA的統(tǒng)治地位。

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

國(guó)產(chǎn)GPU，為何是現(xiàn)在？

國(guó)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(jì)算，也就是各類(lèi)DPU、NPU。

15年開(kāi)始，誕生了地平線、寒武紀(jì)、燧原這一批AI芯片獨(dú)角獸，隨后BAT華為等大廠也紛紛親自下場(chǎng)。20年下半年開(kāi)始，資本市場(chǎng)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(dòng)科技、兆芯等老牌芯片公司的獨(dú)立顯卡項(xiàng)目也在這附近官宣。

這段時(shí)間幾件大事，或許都有影響在其中。首先要說(shuō)的是，2020年國(guó)家全面推廣信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)，其中涉及芯片、服務(wù)器的國(guó)產(chǎn)替代、自主可控。

芯動(dòng)科技就把“信創(chuàng)”列為風(fēng)華1號(hào)的主要應(yīng)用方向之一，還與國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)統(tǒng)信達(dá)成生態(tài)合作，完成國(guó)產(chǎn)GPU與國(guó)產(chǎn)OS的適配。

另外，受全球芯片短缺和挖礦影響，GPU本身的價(jià)格也從2020年開(kāi)始暴漲。

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

最后，元宇宙、數(shù)字人、AR/VR的火爆也把3D圖形計(jì)算需求抬到新高度。壁仞科技在應(yīng)用方向上透露過(guò)重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)駕駛和元宇宙、摩爾線程還特別提出“元計(jì)算”。

△摩爾線程官網(wǎng)

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

其中芯動(dòng)科技的風(fēng)華1號(hào)明確表示使用了Imagination的IMG B系列GPU IP，另外幾家沒(méi)有透露具體情況。

PS. 針對(duì)Imagination IP授權(quán)一事，我們問(wèn)了問(wèn)相關(guān)頭部創(chuàng)企，對(duì)方未作回應(yīng)。

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