算力時(shí)代探尋國產(chǎn)GPGPU破局之路

來源：愛集微

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)化時(shí)代，算力就是生產(chǎn)力。隨著以算力為核心的科技競爭成為當(dāng)前大國競爭的戰(zhàn)略焦點(diǎn)，把握算力發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇期就是搶占發(fā)展的主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)。

作為新型生產(chǎn)力，算力的迅猛發(fā)展離不開芯片、數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)鏈的日臻完善，特別是作為三大算力芯片之一的GPU，更是兵家必爭之地。而由GPU衍生出來的GPGPU憑借并行計(jì)算理念打造出強(qiáng)大的高性能通用計(jì)算優(yōu)勢，在算力時(shí)代正風(fēng)生水起。

有算力時(shí)代繪就的宏偉GPGPU藍(lán)圖召喚，有英偉達(dá)一飛沖天的傳奇激勵(lì)，疊加中國進(jìn)口替代以及科創(chuàng)板的杠桿效應(yīng)，資本對GPGPU賽道高度興奮，一眾初創(chuàng)公司亦相繼涌現(xiàn)，爭相登高一呼，要在融資、量產(chǎn)、應(yīng)用層面試比高，也讓這一賽道端得熱鬧非凡。

但要警醒的是，與GPGPU高熱相伴的是圈內(nèi)的浮躁風(fēng)、套殼風(fēng)和虛夸風(fēng)不止。而在波譎云詭的國際形勢面前一系列熱點(diǎn)事件的發(fā)酵，更讓業(yè)界關(guān)注國產(chǎn)GPGPU的真實(shí)“成色”。穿越GPGPU的重重迷霧，到底該如何解鎖國產(chǎn)GPGPU的真功夫？

補(bǔ)位迫切國產(chǎn)GPGPU迎來新考驗(yàn)

經(jīng)過多年的積淀，中國作為算力發(fā)展的“領(lǐng)跑者”，已在算力競逐中走到世界前列。

截至2022年6月，中國數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模超過590萬臺，服務(wù)器規(guī)模約2000萬臺，算力總規(guī)模超過150 EFlops，位列全球第二。有機(jī)構(gòu)預(yù)測到2025年，中國GPGPU市場規(guī)模將達(dá)到458億元，相較于2019年的86億元增長5倍多。

但在巨大的市場規(guī)模背后，折射的卻是GPGPU難言的尷尬境地。英偉達(dá)、AMD雙雄憑借多年構(gòu)筑的護(hù)城河優(yōu)勢，壟斷了中國GPGPU的90%市場。隨著GPGPU應(yīng)用在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)、安防、HPC等市場蔚然成風(fēng)，無論是中國自身算力的大發(fā)展，還是國產(chǎn)高端大芯片的自主化率提升，國產(chǎn)GPU不能也不應(yīng)在這一賽道上缺席太久。

加之中美科技戰(zhàn)愈加嚴(yán)峻，特別是英偉達(dá)禁售A100事件發(fā)生以來，國產(chǎn)GPGPU“替代”之路將不斷加快，如何做強(qiáng)成為新的考驗(yàn)。

特別是黨的二十大報(bào)告也提出，以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，集聚力量進(jìn)行原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，堅(jiān)決打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。GPGPU作為國內(nèi)急待突破的高端芯片之一，必然要走上自主化道路。

近幾年國內(nèi)GPGPU公司乘著政策、資本、人才和應(yīng)用的東風(fēng)相繼涌現(xiàn)，除了一眾老將之外，包括珠海芯動(dòng)力、壁仞、沐曦、登臨、天數(shù)智芯、紅山微電子、瀚博半導(dǎo)體等新勢力集結(jié)發(fā)力，或在自研架構(gòu)層面的高算力高靈活性發(fā)力；或在生態(tài)打造上可圈可點(diǎn)；或在應(yīng)用上開疆拓土，在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域也在加快落地。

而在進(jìn)軍的長征路上，一些急功近利的心態(tài)、大鳴大放的風(fēng)格也在無形之中對國產(chǎn)GPGPU的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙。到底該如何丈量國產(chǎn)GPGPU的“成色”?未來的發(fā)展之路究竟應(yīng)如何走？

架構(gòu)創(chuàng)新 打造高性能低功耗

作為高端芯片代表，研發(fā)GPGPU顯然是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及硬件架構(gòu)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)、軟件生態(tài)、應(yīng)用適配等，正是關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過。

特別是GPGPU需設(shè)置大量的計(jì)算單元，將大量計(jì)算單元進(jìn)行適當(dāng)組合并實(shí)現(xiàn)極高的計(jì)算效率難度極大，而且GPGPU的多元化應(yīng)用要求GPGPU“兼顧”高算力、低功耗、靈活性，這對底層的核心硬件架構(gòu)提出了更嚴(yán)格的要求。

目前國內(nèi)GPGPU廠商的核心架構(gòu)大多自研，這是一條艱難而正確的道路。正如有行業(yè)人士分析稱，走到頂峰的一定是采取自研架構(gòu)的路線，只有能夠把整個(gè)架構(gòu)掌握實(shí)現(xiàn)自研，才能夠追趕頭部玩家，才有可能在未來進(jìn)行超越。

珠海市芯動(dòng)力科技有限公司（簡稱芯動(dòng)力）創(chuàng)始人李原也指出，為實(shí)現(xiàn)大量的計(jì)算、流水線的排列方式，需要GPGPU采用大量處理單元陣列的可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，這樣才可滿足高算力的需求，同時(shí)保持低功耗和硅面積高效。

知行合一，在經(jīng)過長期的摸索和不斷的探索之后，芯動(dòng)力創(chuàng)新性地開發(fā)了兼顧能效與編程靈活性的可重構(gòu)并行處理器芯片架構(gòu)RPP（可重構(gòu)并行處理器），吹響了向GPGPU進(jìn)軍的號角。

厚積而薄發(fā)，RPP的架構(gòu)優(yōu)勢也十分顯著：支持大量的并行線程，通過采用空間處理器架構(gòu)，把RPP指令分發(fā)到空間上不同的PE陣列里面，并按照指令的依賴關(guān)系連接起來，當(dāng)大量數(shù)據(jù)流過PE陣列時(shí)，以流水線的方式完成計(jì)算。此外，因RPP處理器設(shè)計(jì)的高效性，可以在同樣的芯片面積上放入更多的片上內(nèi)存，在計(jì)算時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最小距離搬運(yùn)，大大降低功耗，實(shí)現(xiàn)了低功耗存算一體化。

（RPP架構(gòu)圖）

整體而言，利用RPP架構(gòu)的優(yōu)越性，可達(dá)到更高的算力、更低的功耗，從而降低服務(wù)器的部署和運(yùn)維成本。

在架構(gòu)層面厚積薄發(fā)之后，芯動(dòng)力乘勝出擊，采用空間流水線架構(gòu)、原生支持CUDA生態(tài)的第一代產(chǎn)品RPP-R8已成功流片，并面向客戶送樣及銷售。

據(jù)悉，RPP-R8除了具備專用芯片所沒有的通用編程性，面積效率比可達(dá)到英偉達(dá)同類產(chǎn)品的7~10倍，能效比也超過3倍，可滿足高效并行計(jì)算及AI計(jì)算應(yīng)用。

兼容主流生態(tài)切入邊緣應(yīng)用場景

要在GPGPU領(lǐng)域通關(guān)，生態(tài)至關(guān)重要。而且，GPGPU的生態(tài)非常復(fù)雜，要求一路打通到應(yīng)用層，提供面向應(yīng)用的全面支持。

因英偉達(dá)CUDA生態(tài)盛行，國內(nèi)不少GPGPU初創(chuàng)公司初期大都在走兼容CUDA生態(tài)的道路。在這方面，RPP也以獨(dú)有的底層硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對CUDA語言的支撐，原生支持CUDA生態(tài)。芯動(dòng)力自主開發(fā)工具鏈，擁有獨(dú)立的SIMT指令集與后端編譯器，在cuDNN與TensorRT上實(shí)現(xiàn)了API兼容；支持廣泛AI框架如TensorFlow、Pythorch，。

李原認(rèn)為，通過兼容CUDA語言，通過自有的指令集和開發(fā)工具進(jìn)行深度優(yōu)化性能，在高性能計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)RPP-R8可以得到最廣泛使用的編程語言的支持，不僅從底層的軟件兼容，而且從它的調(diào)用形式、用戶的感知方面也兼容并帶來更好的體驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)兼容之后，芯動(dòng)力擁有了GPGPU應(yīng)用之門的“鑰匙”。GPGPU的應(yīng)用場景廣泛，如何滿足客戶的差異化需求？特別是國產(chǎn)GPGPU實(shí)力還相對較弱的情形下，如何走農(nóng)村包圍城市的路線？

“這就要求從客戶的角度來看，幫助客戶解決了什么痛點(diǎn)？而市場需要的是能夠幫助客戶快速的完成他們的產(chǎn)品，也就是Time to Market。”李原判斷。

看準(zhǔn)這一動(dòng)向，芯動(dòng)力謀定而后動(dòng)。RPP-R8的特點(diǎn)非常適用在高密度數(shù)據(jù)量的邊緣計(jì)算場景，因此，芯動(dòng)力科技選擇從邊緣計(jì)算市場如工業(yè)視覺、輔助駕駛、安防等領(lǐng)域切入。

近年來，安防行業(yè)越來越多數(shù)據(jù)從云中心遷移到“邊緣”上，RPP-R8在安防的應(yīng)用場景中優(yōu)勢也讓芯動(dòng)力在這一市場斬獲豐實(shí)。此外，隨著智能制造業(yè)的智能化需求在不斷提升，芯動(dòng)力的應(yīng)用拓展也延伸到了工業(yè)視覺領(lǐng)域，得到了廣泛的認(rèn)可。

此外，RPP-R8具備的高性能和通用可編程性還可不斷加快客戶Time to Market的步伐。一家采用RPP-R8進(jìn)行信號處理的客戶直陳說：“RPP-R8芯片對公司的意義不僅僅是一個(gè)產(chǎn)品一個(gè)項(xiàng)目，而是解決公司長遠(yuǎn)問題的一顆芯片?！辈粌H如此，他們還希望把整個(gè)公司的產(chǎn)品都基于RPP-R8芯片來設(shè)計(jì)使用，這樣就可以從繁瑣而耗時(shí)的FPGA硬件開發(fā)中解脫出來，從而得以專心研發(fā)系統(tǒng)軟件和算法，通過使用通用的并行計(jì)算芯片，使產(chǎn)品快速上市。

在GPGPU的激蕩歲月，國內(nèi)GPGPU廠商就要選擇一條為客戶創(chuàng)造價(jià)值的道路，這樣才能成就自身的價(jià)值，才能行穩(wěn)致選。芯動(dòng)力將這一DNA貫穿于創(chuàng)新、優(yōu)化和應(yīng)用的全過程，也收獲了新的勢能。

在RPP-R8芯片的應(yīng)用正在多點(diǎn)開花之際，芯動(dòng)力對于未來也有了更明確的規(guī)劃。李原表示，市場在迅速地變化，地緣政治的因素對行業(yè)影響非常大，芯動(dòng)力要能應(yīng)對這些變化，并在變化之中找到機(jī)會。芯動(dòng)力也將花費(fèi)更多的時(shí)間打磨，無論是架構(gòu)、生態(tài)還是應(yīng)用層面都要更上一層樓。也希望在今后的發(fā)展過程當(dāng)中，能夠得到更多的行業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的支持，一起去共同促進(jìn)國產(chǎn)GPGPU的發(fā)展。

結(jié)語：

在當(dāng)前充滿競爭且空前復(fù)雜的市場形勢之下，國產(chǎn)GPGPU業(yè)的發(fā)展注定是曲折的。

盡管面臨重重險(xiǎn)阻，但在國家相關(guān)政策及產(chǎn)業(yè)資金的傾斜下，最后的成功唯取決于中國無數(shù)公司的努力，取決于技術(shù)的創(chuàng)新，取決于堅(jiān)持的長久。

還要看到的是，GPGPU的研發(fā)牽一發(fā)而動(dòng)全身，需要的不僅僅是架構(gòu)迭代與生態(tài)打造，還需要光刻機(jī)等配套產(chǎn)業(yè)的同步提升，才能縮短與國際領(lǐng)先水平之間的差距。此外，兼容是捷徑，但不是終點(diǎn)，從長遠(yuǎn)來說一定要建立自己的生態(tài)。國內(nèi)GPGPU廠商還應(yīng)風(fēng)物長宜放眼量。

無疑，美對我國半導(dǎo)體業(yè)的全面圍剿也將不斷加速國產(chǎn)芯片自主化的進(jìn)程，但要從弱到強(qiáng)，從低端到高端，顯然是一場以數(shù)年為計(jì)的長征之路。

審核編輯黃昊宇