芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
芯東西6月15日報道，又一家國產GPU公司的新品出鞘！今日下午，中科恆星（簡稱ATS）宣布推出國產自主GPU架構「天狼星」。
鄧仰東博士介紹「天狼星」GPU架構
中科恆星成立於2019年8月，致力於自研核心圖形架構GPU晶片，提供晶片產品和相關係統解決方案。其研發團隊由卡內基梅隆大學電子與計算機工程博士、清華大學軟體學院、微電子學研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士帶隊。
鄧仰東是GPU通用計算最早研究人員之一，被譽為「GPU通用計算先行者」，長期從事圖形處理器體系結構、並行計算研究和晶片產品開發工作，曾設計出全球第一個基於FPGA的GPU仿真平台，研究成果在ISCA、MICRO等頂級會議和期刊發表；撰寫過多部教材和專著，其中《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。
談及給GPU架構取名為「天狼星」的原因，中天恆星創始人黃永博士說：「我們的架構全部是以恆星來命名的。Stellar是恆星、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；大角星是第二亮的恆星。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。」
一、三個技術優勢：性價比、自主IP、完備交付能力
由中天恆星聯合創始人、總架構師鄧仰東帶隊研發的「天狼星」GPU架構，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晶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、擁有完全自主智慧財產權，以清華大學超過10年研究基礎為依託的自研核心架構，確保產品疊代自主可控；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、硬體實現、驅動開發等環節全部正向設計；核心架構完整智慧財產權，已申請專利和著作權數百項，數十項已獲授權；相關研究成果發表於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；晶片設計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬體接口符合國際標準，確保晶片裝機即可使用，包括作業系統認證：Windows WHQL；API認證：OpenGL Conformance Test；外圍接口認證：HDMI DP CTS；專業測試認證：PHY layer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。
鄧仰東博士分享圖形GPU市場及規模
國際信息顯示學會中國總裁fellow、俄羅斯工程院外籍院士、國際信息顯示學會北京分會理事長嚴群博士現場分享說，今天看到的顯示內容，顯示的所有都在顯示的平面上，沒有跳躍出平面的狀態，最大的問題就是它的互動性沒法體現。我們現在逐步進入到下一代顯示，顯示的內容不僅在平面上，而且可以跳到空間上，跟人進行實時影像交互，預計五年到十年可能就會到來。他談道，做空間三維影像對數據量的要求非常大、計算需求非常大，這個生態是非常需要有高算力的圖形化處理硬體。
二、七大架構亮點：靈活優化的指令集，支持物理真實渲染，片上互聯架構
「天狼星」GPU架構亮相，該架構有七大亮點：
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晶片疊代的軟體兼容。
三是SIMT計算框架，充分利用圖形應用的數據並行性（ DATE』12.ICCD』13,TVLSI15）。
四是支持物理真實渲染(ACMComputingSurvey』14，SIGGRAPHASIA』14.15）。
五是Shader Core（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）。
「把自己的錢掏出來做這件事，把整個產品、公司的命運和自己的命運聯繫起來，這是我看到比較少的，」上海市集成電路行業協會秘書長郭奕武也來到現場表示祝賀，「他們非常踏實地在做事情，我覺得在這個方面值得大家學習，也是值得大家肯定的。」
他總結說，中天恆星自研架構有幾個特點：一是3D圖形渲染，二是指令集的自主可控，三是框架結構，包括在整個儲存器當中的DDR4，中天恆星都用上了，決定了其未來的產品、用途非常廣泛，而且可以用在各個方面。
三、核心圖形引擎完全自主設計，不涉及第三方IP
當前，Imagination和Vivante兩家公司是主要的GPU 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疊代。
鄧仰東談道：「很多國產的GPU的IP授權主要購買的第三方。中天恆星的路線有所不同，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智慧財產權，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。據鄧仰東分享，GPU設計有幾個地方非常複雜：
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，然後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麼樣的模塊，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裡。這是一個很大的挑戰，需要有多年的積累才能去做這件事。
結語：四年潛心研發，2025年量產第二代GPU架構
「天狼星」GPU架構並非一蹴而就，而經歷了長期耕耘：2019年，第一代「天狼星」架構晶片設計驗證完成。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。
據悉，2024年，中天恆星會繼續優化基於「天狼星」架構的GPU。2025年，將量產第二代GPU架構「大角星」。
中天恆星將提供GPU晶片、板卡和系統解決方案，以PC標準市場（包括台式機、一體機、筆記本電腦和部分伺服器）為核心目標，逐漸拓展至大屏電視、數據中心、雲渲染和車載智能系統等市場。