從早期的龍芯到如今大火的RISC-V架構，中國國產CPU在近年來取得了不錯的發展，然而中國國產GPU的發展相比仍比較落後，直到2014年4月，景嘉微電子才成功研發出中國首款中國國產高性能、低功耗GPU。這與GPU本身對CPU的依賴性，以及GPU的研發難度高有關，首先GPU的結構中沒有控制器，需要CPU調用後才能工作，所以先發展CPU再發展GPU符合晶片產業邏輯；其次產業內GPU的專業工程師和驅動程式開發者比CPU更少，中國就更少了。

但是近年來中國智慧型手機、電腦和伺服器市場的火爆，讓全產業對GPU的需求逐漸增加。伴隨著中國IC自給率不斷提升，發展中國國產GPU、提升自給率的呼聲不斷提高。中國國產GPU因此走上了快車道，湧現出沐曦、芯動科技、摩爾執行緒、壁仞科技等一批新勢力，部分廠商獲得了大量資本注入。與「老一輩」中國國產GPU廠商景嘉微電子、兆芯、龍芯等比較，這些新勢力的玩法有哪些不同？技術上又有什麼特點呢？

在中國積體電路產業設計年會(ICCAD 2021)上，沐曦、芯動科技和芯原高層接受了《電子工程專輯》中國版(EE Times China)等媒體的採訪，除了闡述各自的技術路線特點外，還對中國國產GPU未來的生態發展發表了意見。

GPU的技術路線分類

很多人的印象中，GPU就是電腦顯示卡核心，主要工作是影像處理和輸出顯示，然而隨著人工智慧(AI)應用市場的崛起，GPU的用途開始超越影像處理。由於其技術原理適合批量處理特定資訊，而且運算能效遠超CPU，人們開始將通用運算GPU (GPGPU)用於繪圖渲染以外的高性能運算，應用場景包括超級電腦、巨量資料處理和機器學習等。

王磊

沐曦資深銷售總監

沐曦資深銷售總監王磊表示，GPU市場可以籠統地分為兩大塊，分別是運算和渲染。「其實新的一些渲染場景的增強也對運算部分提出了新的需求，甚至渲染與運算也在進行著密切的融合。沐曦以運算為優先切入點，也是考慮到通用運算、機器學習和AI訓練方面迫切的市場需求。下一步，沐曦也將推出渲染GPU，全覆蓋高性能GPU市場。」王磊說。

芯動科技則把GPU賽道分為三類，分別是AI、雙精準度浮點運算和渲染。芯動科技的切入點是渲染，再向雙精準度FP64和AI擴展。芯動科技工程副總裁毛鳴明認為，走渲染這條路開始會比較艱難，因為渲染的複雜程度更大，不光包括類似通用運算、GPU裡需要的運算核心(Unified Shader)，還包括繪圖渲染管線(render pipeline)、前端的頂點著色器(Vertex Shader)、物體幾何(Geometry)屬性和後端畫素著色(Pixel Shader)處理等。

打造自家生態抑或跟隨產業巨頭？

資料顯示，沐曦專注於設計針對異質運算等各類應用的高性能通用GPU晶片，產品主要應用方向包含傳統GPU及行動應用，AI、雲端運算、資料中心等高性能異質運算領域。

在中國國產GPU與國外競爭產品的問題上，王磊認為，雖然中國國產GPU的硬體性能提升速度很快，透過產品不斷演進門檻已經降低很多，但在不同的用戶端或下游市場中，用戶擔心的往往不是中國國產GPU性能好不好，而是「好不好用」和「能不能用」。如何讓下游客戶願意採用？這是一個生態問題。大部分中國廠商對於生態，都是先進行相容，再考慮自家生態，這對於新創企業來說是比較科學的辦法。

除了先做相容再打造生態的方式外，沐曦還採用了梯隊型人才建設策略——「從娃娃抓起」。透過在大專院校宣講，讓在校生知道公司在做什麼樣的產品，從人才引導開始建構生態，同時也會在公司內部分場景進行人才建設。

芯動科技是從渲染入手，這個領域的業界標準API有OpenGL(跨平台電腦圖形API)、OpenGLES，以及Windows DirectX，而Nvidia一手打造的CUDA生態主要用來進行AI和運算，也有圖形處理開始用CUDA。「雖然渲染從技術層面來說相對複雜，但好處是介面API標準化。Nvidia把自己定義為軟體公司，他們也的確建立了非常龐大的圍繞CUDA的生態，AI市場則是他們硬生生開闢出來的道路。」毛鳴明說到。

毛鳴明

芯動科技工程副總裁

做傳統的渲染GPU在生態上前期投入會相對少一些，因為可以用標準API介面，芯動科技的做法是先支持這些API，然後再在性能上進行最佳化。從這個切入點進入GPU市場，可以避免一開始就跟非常強大的CUDA生態硬碰硬，或者嘗試去相容CUDA但始終被牽著鼻子走。

毛鳴明還表示，現在中國國產GPU廠商和許多國外的大廠也很支持Vulkan(低開銷、跨平台影像處理API)生態。和OpenGL不一樣，Vulkan都屬於較底層的API標準，可以跟CUDA生態競爭。「Vulkan的發展前景很大，我們希望它不要走OpenGL的老路，有太多的勢力參與、眾口難調最後變成非常龐大複雜的API。」毛鳴明補充。

從IP企業角度看中國國產GPU生態

作為中國國產IP第一股的芯原，目前是中國第一、全球排名第七的半導體IP供應商，在GPU、DSP等晶片IP授權領域可以排到全球第三。GPU的PC市場已經被英特爾(Intel)、AMD、Nvidia幾家壟斷，手機行動GPU市場則是高通(Qualcomm)、Arm、Imagination主導，但在汽車電子、物聯網(IoT)等新興GPU應用領域，芯原佔據了可觀的市場份額，也是芯原IP授權重點突破的領域。

芯原在GPUIP上投入多年，如今其可擴展的Vivante GPU IP系列應用範圍涵蓋從低功耗的小物聯網MCU到針對汽車和電腦應用的SoC。其中Vivante Nano GPUIP系列具備最佳化的功耗、性能和面積尺寸和最小的OpenGL ES 3.0和3.1解決方案，適用物聯網應用，還擁有小尺寸向量圖形IP和顯示控制IP；最新的Arcturus系列圖形和運算IP，則能夠滿足3D圖形渲染和運算所需的最佳功耗、性能、面積需求。

芯原創始人、董事長暨總裁戴偉民表示，公司已將智慧汽車領域列為公司未來發展戰略之一，從智慧座艙到自動駕駛技術均有佈局。目前芯原的GPU IP已經在汽車上獲得了廣泛的應用，包括資訊娛樂系統、儀錶板、車身環視、駕駛狀態監控系統、ADAS、自動駕駛車輛等，多家全球知名的汽車OEM都採用了芯原的GPU用於車載資訊娛樂系統或是儀錶板。

戴偉民

芯原創始人、董事長暨總裁

在中國國產GPU生態問題上，戴偉民介紹開放標準產業組織 Khronos Group。2000年成立的Khronos Group是為多媒體處理制定開放標準的產業組織，該協會自成立20多年來，推出過OpenGL、OpenCL (跨平台通用運算API)、OpenXR (開放虛擬與擴增實境標準)，以及Vulkan等被業界廣泛接受的技術標準庫，該組織的董事會成員有兩家中國廠商，一家是芯原，另一家是華為。

「介紹Khronos的目的是要告訴大家，除了CUDA以外，還有其他生態可以選擇。」戴偉民說，「但是做GPU要有策略，選擇更好的生態圈實現起來才更容易。」就目前來說，CUDA還是最好的GPU生態；Vulkan光線追蹤是業界第一個開放、跨廠商、跨平台的光線追蹤加速標準，屬於羽量級API，可大幅減少驅動程式，並為程式師提供更多靈活性；OpenCL則是跨供應商的標準API，是第一個針對異質系統通用目的平行程式設計的開放式、免費標準，也是一個統一的程式設計環境，支援多核心CPU、GPU、NPU、DSP，以及其他平行處理器。

OpenXR允許開發人員使用通用的高性能API，可以與任何3DAPI一起使用；OpenVX是一種開放、免授權金的標準，用於跨平台加速電腦視覺應用程式，可實現性能和功耗最佳化的電腦視覺處理，這在嵌入式和即時使用情況下尤其重要；SYCL是一種免授權金、跨平台的抽象層，它允許使用標準ISOC++編寫異質處理器的程式碼，並在同一原始檔案中包含應用程式的主機程式碼和核心程式碼。

中國國產GPU的優勢和市場策略

具體到GPU產品，涉及到硬體性能和軟體生態，沐曦的優勢在於創始團隊是一支平均擁有15年以上從高性能GPU設計到量產交付全流程經驗的全建制團隊。所以王磊認為，「在產品性能方面，沐曦團隊還是比較自信。」沐曦曾表示其GPU將採用5nm製程技術，全相容主流GPU生態，採用原創專利保護的可重構GPU架構，突破傳統GPU晶片能效瓶頸；採用資料壓縮、資料廣播，以及共用硬體加速單元等先進技術，大幅度最佳化核心運算力能耗比。

最後是找到能夠契合公司產品定位的市場並攻下山頭，「就像攻城，要先找一個城防上的小缺口，找到擅長的領域和市場，讓市場接納才有機會進一步演進。」王磊說。

芯動科技的市場切入點主要有兩個方面：一是彎道超車，因為元宇宙這類新概念出現後，基於雲端的渲染需求出現了爆發式成長，雲端渲染是相對較新的賽道，也比較適合芯動科技的GPU架構。芯動瞄準這條賽道裡面更細分的賽道，例如Windows和Android。虛擬化跟傳統市場也存在競爭關係，雲上應用越廣越多意味著虛擬化越來越普及，這會蠶食GPU的現有應用市場。

「如果大家都採用虛擬化，Nvidia的顯示卡銷量就會變少，對巨頭沒有好處的市場他們不會快速推進，所以在虛擬化上可以抓住架構上的優勢，在生態以點進行突破。」毛鳴明說，「另外要把虛擬化做好、做穩定難度相當大，要做好用戶和用戶之間的資源隔離而且在一個使用者出故障的時候不能影響其他用戶。這是芯動可以進行差異化的發力點之一。」

二是在傳統應用方面，芯動可以做中國國產化。當前晶片中國國產化的呼聲很高，只要能夠拿出相對有競爭力的產品，國貨還是有優勢的。毛鳴明列舉了幾個典型應用，包括桌上型和筆記型電腦的入門級顯示卡、終端上的CAD應用，毛鳴明表示，「有一個立足點就可以持續演進，芯動科技在迅速演進方面比較擅長，只要有一個切入點，2~3年的時間就可以慢慢滲透甚至進入這個市場。」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年2月號

活動簡介

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