如果要說當(dāng)下在芯片領(lǐng)域誰最熱，GPU是第二，無人敢說第一。GPU是芯片領(lǐng)域里技術(shù)難度最高的主賽道的芯片之一，我國(guó)九成以上都是靠進(jìn)口。以ChatGPT大模型應(yīng)用的爆火把AI又炒上了一個(gè)新的高點(diǎn)，其背后的算力基礎(chǔ)GPU芯片也成為“香餑餑”。英偉達(dá)的兩款受限制的芯片被炒貨炒到八萬多、十萬多甚至幾十萬，這背后顯現(xiàn)的一方面是我國(guó)對(duì)GPU芯片大的市場(chǎng)需求，另一方面凸顯了我國(guó)尚沒有自主可控的GPU。

自主可控主要有兩個(gè)維度：一種是購(gòu)買第三方IP架構(gòu)來自研GPU的內(nèi)核；另外一種就是在GPU的IP架構(gòu)也是自研的，同時(shí)GPU的內(nèi)核也是自研。目前國(guó)內(nèi)的GPU芯片企業(yè)大多是第一種，而要想真正在底層GPU的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)迭代環(huán)節(jié)有主動(dòng)權(quán)，必須要同時(shí)掌握IP架構(gòu)和內(nèi)核兩個(gè)方面。

近日，國(guó)內(nèi)企業(yè)中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡(jiǎn)稱中天恒星/ATS）第一款自研的GPU架構(gòu)“天狼星”的推出，將為國(guó)產(chǎn)GPU芯片的發(fā)展邁出一個(gè)新的高度。中天恒星創(chuàng)始人黃永博士指出：“我們的架構(gòu)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(gòu)命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)，所以看起來沒有天狼星亮；實(shí)際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍?！?/span>

一鳴驚人，中天恒星發(fā)布自研GPU架構(gòu)“天狼星”

2023年6月15日，中天恒星以清華大學(xué)超過10年研究基礎(chǔ)為依托，發(fā)布了其第一款GPU產(chǎn)品——“天狼星”。該芯片從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)開始，架構(gòu)設(shè)計(jì)、算法模型、原理驗(yàn)證、硬件實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設(shè)計(jì)。

據(jù)中天恒星創(chuàng)始人黃永博士介紹，“天狼星”GPU架構(gòu)是多年長(zhǎng)期耕耘的結(jié)果。2019年，第一代“天狼星”架構(gòu)芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證完成。2021年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU誕生；2022年，定義第二代GPU架構(gòu)“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)悉，2024年，中天恒星會(huì)繼續(xù)優(yōu)化基于“天狼星”架構(gòu)的GPU。2025年，將量產(chǎn)第二代GPU架構(gòu)“大角星”。


“天狼星”GPU架構(gòu)有幾大亮點(diǎn)：

具有3D圖形引擎+2D圖形加速+視頻引擎。

自主可控/靈活優(yōu)化的指令集和VLIW/SIMD機(jī)器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/靈活優(yōu)化的指令集，可保證GPU芯片迭代的軟件兼容。

SIMT計(jì)算框架，可以充分利用圖形應(yīng)用的數(shù)據(jù)并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。

支持物理真實(shí)渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA'14.15)。

Shader Core(Graphics Processing Cluster)，包括SIMT獨(dú)立指令執(zhí)行單元、以32位浮點(diǎn)ALU為基礎(chǔ)的統(tǒng)一圖形架構(gòu)(ICCD13)以及集成寄存器堆、紋理/數(shù)據(jù)緩存。

延遲聚集式全局線程調(diào)度技術(shù)(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。

具有良好性能伸縮性的片上互聯(lián)架構(gòu)(MICRO'20、TPDS’21)。

據(jù)中天恒星的介紹，其瞄準(zhǔn)的是廣闊的圖形渲染市場(chǎng)，第一代“天狼星”架構(gòu)GPU產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是以括臺(tái)式機(jī)、一體機(jī)、筆記本電腦為核心目標(biāo)，逐漸拓展到大屏電視、數(shù)據(jù)中心、云渲染以及車載市場(chǎng)。


GPU用于渲染仍是行業(yè)主流

為何中天恒星要選擇發(fā)力圖形渲染這個(gè)市場(chǎng)呢？

GPU從一開始就是為圖形渲染而生，其英文是Graphics Processing Unit，是一個(gè)可編程芯片，目的是把我們要呈現(xiàn)的場(chǎng)景，通過一系列計(jì)算之后投射在一個(gè)兩維計(jì)算機(jī)屏幕上，GPU力圖在屏幕上再現(xiàn)和真實(shí)世界完全一樣的渲染效果，這就是GPU的作用。

但由于GPU擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，后來我們就用它加速機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練，就是所謂的算力的GPU。按照黃仁勛的說法，2023年算力GPU的產(chǎn)值會(huì)超過300億美元的規(guī)模，到2027年會(huì)達(dá)到1500億美元的量級(jí)。

但其實(shí)除了用于算力之外，用于渲染的GPU才是GPU市場(chǎng)的主流。2022年以獨(dú)立顯卡為代表的GPU大約占據(jù)80%以上的GPU市場(chǎng)，除了獨(dú)立顯卡，集成顯卡領(lǐng)域也大抵如此，比如很多汽車的面板用嵌入式GPU做渲染。

渲染GPU的重要性還可以通過另一個(gè)層面來直觀看出，比如說服務(wù)器的出貨量和PC出貨量，2021年全球服務(wù)器出貨量1300萬臺(tái)，PC出貨量3.5億臺(tái)左右。一般來說，潛在的每一臺(tái)PC都會(huì)搭載一塊圖形顯示的顯卡，所以從這個(gè)意義上來講，整個(gè)渲染GPU也是主流。

除此之外，大屏交互也是一個(gè)驚人的市場(chǎng)。在本次發(fā)布會(huì)上，國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)中國(guó)總裁、fellow、俄羅斯工程院外籍院士、國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)北京分會(huì)理事長(zhǎng)嚴(yán)群博士指出：“現(xiàn)在所有顯示器都可以稱為被動(dòng)式顯示技術(shù)，觀看的人對(duì)它的信息傳輸只有接收，沒有互動(dòng)，一旦顯示屏加上很多GPU功能，有了沉浸式三維影像呈現(xiàn)、交互體驗(yàn)，那就不是傳統(tǒng)的電視了，是一旦需要有交互體驗(yàn)的時(shí)候，我們就會(huì)重新回到大屏，重新回到這些有渲染的、真實(shí)的、你可以融入其中的體驗(yàn)，這種體驗(yàn)非常不得了?！?/span>

至于為何會(huì)選擇圖形渲染賽道，黃永博士在采訪中解釋到，“顯示、圖形渲染是目前需求量最大的一塊市場(chǎng)，也是高度標(biāo)準(zhǔn)化的市場(chǎng)，唯一要做的就是提高性價(jià)比，這就是我們的商業(yè)邏輯的突破口，我們將從性價(jià)比著手，突破渲染、顯示這樣標(biāo)準(zhǔn)化的市場(chǎng)，進(jìn)而再往定制、半定制、更高端的市場(chǎng)去突破。”

鄧仰東博士在會(huì)上介紹了關(guān)于GPU芯片和渲染內(nèi)容高度標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容。他指出，

鄧仰東博士也在會(huì)上介紹到：“GPU芯片是高度標(biāo)準(zhǔn)化的芯片，渲染的內(nèi)容是高度標(biāo)準(zhǔn)化的?！彼赋?，GPU芯片的標(biāo)準(zhǔn)主要由三個(gè)圖形和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)界定。首先是OpenGL，它是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1997年推出的，從2007年開始，OpenGL相繼發(fā)布了三個(gè)版本，基本上確定了整個(gè)圖形渲染所需完成的任務(wù)。與此同時(shí)，微軟推出了DirectX，這是微軟專門針對(duì)Windows平臺(tái)的圖形標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL具有跨平臺(tái)兼容性，而DirectX只適用于Windows平臺(tái)。盡管DirectX具有更好的渲染效果，但它缺乏平臺(tái)的兼容性。另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是OpenCL，最初是為圖形純計(jì)算能力而設(shè)計(jì)，后來也擴(kuò)展到通用計(jì)算領(lǐng)域。

這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在2007年至2017年間經(jīng)歷了黃金時(shí)代，并在2017年基本固化下來。換句話說，今天的圖形標(biāo)準(zhǔn)基本上仍然是2007年的主要圖形顯示內(nèi)容，GPU需要完成的核心任務(wù)基本上沒有變化。這也意味著國(guó)內(nèi)是有可能趕上NVIDIA在圖形渲染GPU設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展。

“此外，GPU市場(chǎng)很大，我們不是為了搶奪英偉達(dá)和AMD的市場(chǎng)蛋糕，而是滿足一部分沒有得到滿足的剛需市場(chǎng)?！秉S永博士補(bǔ)充道。


全世界都在搶算力

對(duì)英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心 GPU 的競(jìng)賽也發(fā)生在全球范圍。不過海外巨頭大量購(gòu)買 GPU 更早，采購(gòu)量更大，近年的投資相對(duì)連續(xù)。

2022 年，Meta 和甲骨文就已有對(duì) A100 的大投入。Meta 在去年 1 月與英偉達(dá)合作建成 RSC 超級(jí)計(jì)算集群，它包含 1.6 萬塊 A100。同年 11 月，甲骨文宣布購(gòu)買數(shù)萬塊 A100 和 H100 搭建新計(jì)算中心?，F(xiàn)在該計(jì)算中心已部署了超 3.27 萬塊 A100，并陸續(xù)上線新的 H100。

微軟自從 2019 年第一次投資 OpenAI 以來，已為 OpenAI 提供數(shù)萬塊 GPU。今年 3 月，微軟又宣布已幫助 OpenAI 建設(shè)了一個(gè)新計(jì)算中心，其中包括數(shù)萬塊 A100。Google 在今年 5 月推出了一個(gè)擁有 2.6 萬塊 H100 的計(jì)算集群 Compute Engine A3，服務(wù)想自己訓(xùn)練大模型的公司。

中國(guó)大公司現(xiàn)在的動(dòng)作和心態(tài)都比海外巨頭更急迫。以百度為例，它今年向英偉達(dá)新下的 GPU 訂單高達(dá)上萬塊。數(shù)量級(jí)與 Google 等公司相當(dāng)，雖然百度的體量小得多，其去年?duì)I收為 1236 億元人民幣，只有 Google 的 6%。

據(jù)了解，字節(jié)、騰訊、阿里、百度這四家中國(guó)投入 AI 和云計(jì)算最多的科技公司，過去 A100 的積累都達(dá)到上萬塊。其中字節(jié)的 A100 絕對(duì)數(shù)最多。不算今年的新增訂單，字節(jié) A100 和前代產(chǎn)品 V100 總數(shù)接近 10 萬塊。

成長(zhǎng)期公司中，商湯今年也宣稱，其 “AI 大裝置” 計(jì)算集群中已總共部署了 2.7 萬塊 GPU，其中有 1 萬塊 A100。連看似和 AI 不搭邊的量化投資公司幻方之前也購(gòu)買了 1 萬塊 A100。

僅看總數(shù)，這些 GPU 供各公司訓(xùn)練大模型似乎綽綽有余——據(jù)英偉達(dá)官網(wǎng)案例，OpenAI 訓(xùn)練 1750 億參數(shù)的 GPT-3 時(shí)用了 1 萬塊 V100 ，訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)未公開；英偉達(dá)測(cè)算，如果用 A100 來訓(xùn)練 GPT-3 ，需要 1024 塊 A100 訓(xùn)練 1 個(gè)月，A100 相比 V100 有 4.3 倍性能提升。但中國(guó)大公司過去采購(gòu)的大量 GPU 要支撐現(xiàn)有業(yè)務(wù)，或放在云計(jì)算平臺(tái)上售賣，并不能自由地用于大模型開發(fā)和對(duì)外支持客戶的大模型需求。

這也解釋了中國(guó) AI 從業(yè)者對(duì)算力資源估算的巨大差別。清華智能產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)張亞勤 4 月底參加清華論壇時(shí)說，“如果把中國(guó)的算力加一塊，相當(dāng)于 50 萬塊 A100，訓(xùn)練五個(gè)模型沒問題?！盇I 公司曠視科技 CEO 印奇接受《財(cái)新》采訪時(shí)則說：中國(guó)目前可用作大模型訓(xùn)練的 A100 總共只有約 4 萬塊。

主要反映對(duì)芯片、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等固定資產(chǎn)投資的資本開支，可以直觀說明中外大公司計(jì)算資源的數(shù)量級(jí)差距。

最早開始測(cè)試類 ChatGPT 產(chǎn)品的百度，2020 年以來的年資本開支在 8 億到 20 億美元之間，阿里在 60-80 億美元之間，騰訊在 70-110 億美元之間。同期，亞馬遜、Meta、Google、微軟這四家自建數(shù)據(jù)中心的美國(guó)科技公司的年資本開支最少均超過 150 億美元。

疫情三年中，海外公司資本開支繼續(xù)上漲。亞馬遜去年的資本開支已來到 580 億美元，Meta、Google 均為 314 億美元，微軟接近 240 億美元。中國(guó)公司的投資在 2021 年之后則在收縮。騰訊、百度去年的資本開支均同比下滑超 25%。

訓(xùn)練大模型的 GPU 已不算充足，各家中國(guó)公司如果真的要長(zhǎng)期投入大模型，并賺到給其它模型需求 “賣鏟子” 的錢，未來還需要持續(xù)增加 GPU 資源。


算力租賃需求興起

AI大模型和行業(yè)應(yīng)用等迅速增長(zhǎng)推動(dòng)算力需求，GPU已陷入供應(yīng)短缺，多款GPU價(jià)格從3、4月至今漲幅接近50%，訂單排期至明年上半年?；诖怂懔ψ赓U市場(chǎng)興起，需求和市場(chǎng)訂單量上升，未來增長(zhǎng)空間較大。

隨著大模型以及相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展，算力需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。但除了大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、AI龍頭企業(yè)具有較多的GPU算力芯片儲(chǔ)備外，中小企業(yè)在發(fā)展AI模型、應(yīng)用過程中，遭遇算力瓶頸。華安證券尹沿技分析指出，算力租賃成為廣大中小企業(yè)解決算力需求的最優(yōu)解。

上市公司中，首都在線率先建立大規(guī)模、高覆蓋的GPU算力資源池，在2022年已建設(shè)1萬片面向圖形處理的GPU資源池，其中包括A100、a5000等英偉達(dá)先進(jìn)算力硬件。立昂技術(shù)在成都簡(jiǎn)陽募投的立昂云數(shù)據(jù)(成都簡(jiǎn)陽)一號(hào)基地一期項(xiàng)目未來將打造“算力+數(shù)據(jù)+算法”的超算創(chuàng)新應(yīng)用生態(tài)體系，公司稱相關(guān)的服務(wù)器及加速卡等會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際情況采購(gòu)國(guó)內(nèi)外知名品牌供應(yīng)商產(chǎn)品。

AI大模型和行業(yè)應(yīng)用等迅速增長(zhǎng)推動(dòng)算力需求，機(jī)構(gòu)指出，在未來算力/帶寬高增的背景下，以及CPO的新方案拉動(dòng)下，MPO的用量有望大幅提升，在設(shè)備內(nèi)部重要性也逐步提高。

CPO下每個(gè)光引擎到面板距離不同，布線復(fù)雜易損壞光纖影響整機(jī)。通過在光引擎和端口面板間增加板中連接器，將CPO的試錯(cuò)成本轉(zhuǎn)移到板中連接器和端口的MPO上，MPO有望適配CPO，解決布線痛點(diǎn)。國(guó)盛證券指出，在未來算力/帶寬高增的背景下，以及CPO的新方案拉動(dòng)下，MPO的用量有望大幅提升，在設(shè)備內(nèi)部重要性也逐步提高。


國(guó)產(chǎn)顯卡的超車點(diǎn)就在眼前

一般來說，有市場(chǎng)的地方就一定會(huì)有中國(guó)品牌，但對(duì)國(guó)產(chǎn)GPU來說這種慣例似乎不復(fù)存在：根據(jù)某券商的報(bào)告，2022年全球獨(dú)立GPU市場(chǎng)規(guī)模約448.3億美元，盡管規(guī)模高達(dá)數(shù)百億，但其中屬于國(guó)產(chǎn)GPU品牌的份額卻寥寥無幾。再加上現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)GPU主要面向的都是工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)，其中真正能用于游戲玩家的國(guó)產(chǎn)GPU市場(chǎng)更是微乎其微。

不過就近幾年國(guó)產(chǎn)GPU的市場(chǎng)的變化來看，國(guó)產(chǎn)GPU的曙光似乎馬上就要出現(xiàn)了。

2022年11月3日，GPU獨(dú)角獸公司摩爾線程召開秋季發(fā)布會(huì)，正式發(fā)布了基于MUSA架構(gòu)的第二顆多功能GPU“春曉”以及相應(yīng)的一系列硬件產(chǎn)品——其中既有利好開發(fā)者的MUSA開發(fā)套件，還有大眾消費(fèi)者期待并即將上市的中國(guó)首張游戲顯卡。而這場(chǎng)發(fā)布會(huì)也象征著中國(guó)GPU企業(yè)在游戲市場(chǎng)邁出的第一步。

與此同時(shí)，以ChatGPT為首用的AI技術(shù)，為國(guó)產(chǎn)GPU品牌們帶來了新的機(jī)遇。

根據(jù)中信證券的報(bào)告，因AI、數(shù)據(jù)中心、智能汽車、游戲等行業(yè)對(duì)GPU的需求有望高增，在國(guó)產(chǎn)GPU加速追趕全球頭部企業(yè)的大背景下，國(guó)產(chǎn)GPU有望迎來“發(fā)展黃金期”。

首先，AI需求端是國(guó)產(chǎn)GPU獨(dú)立顯卡未來發(fā)展的重要機(jī)會(huì)之一。中國(guó)的AI市場(chǎng)正在快速發(fā)展，其中云端和終端市場(chǎng)都在迅速擴(kuò)張。云端市場(chǎng)中，中國(guó)企業(yè)在機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)GPU獨(dú)立顯卡的需求也將不斷增加。而終端市場(chǎng)則包括智能手機(jī)、智能音箱、智能攝像頭、智能家居等領(lǐng)域，這些終端設(shè)備都需要計(jì)算能力強(qiáng)、功耗低、成本優(yōu)化的GPU獨(dú)立顯卡來支持其AI功能。國(guó)產(chǎn)GPU獨(dú)立顯卡在這些終端設(shè)備中具有較大的應(yīng)用潛力，因此未來發(fā)展機(jī)會(huì)廣闊。

汽車需求端也是國(guó)產(chǎn)GPU獨(dú)立顯卡未來發(fā)展的重要機(jī)會(huì)之一。隨著自動(dòng)駕駛和智能座艙技術(shù)的不斷發(fā)展，GPU在這些領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。以國(guó)內(nèi)常見的路網(wǎng)協(xié)同方案為例，一個(gè)優(yōu)秀的路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)需要海量高時(shí)效的道路信息，同時(shí)統(tǒng)一的遠(yuǎn)端服務(wù)器也需要同時(shí)追蹤、管理海量的車輛。而高并發(fā)、高穩(wěn)定性、低時(shí)延、低功耗這正是國(guó)產(chǎn)GPU品牌所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

此外，車輛自動(dòng)駕駛和智能座艙的車機(jī)娛樂也對(duì)GPU提出了更高的要求。根據(jù)蓋世汽車預(yù)測(cè)，未來自動(dòng)駕駛和智能座艙的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)快速擴(kuò)張，為國(guó)產(chǎn)GPU獨(dú)立顯卡帶來廣闊的應(yīng)用前景。


5-10年國(guó)產(chǎn)將追上國(guó)際主流水平

天數(shù)智芯的高管鄒翾日前在采訪中談到，國(guó)產(chǎn)GPU還在追趕AMD及英偉達(dá)，但隨著時(shí)間推移，國(guó)產(chǎn)GPU應(yīng)用逐步開花，有望在5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)追趕。他認(rèn)為，國(guó)內(nèi)GPU廠商應(yīng)該由小及大，從幾十上百個(gè)卡集群的推理任務(wù)開始，然后逐步擴(kuò)展到上千或上萬個(gè)卡集群，以時(shí)間換空間。

上海天數(shù)智芯是中國(guó)領(lǐng)先的通用GPU高端芯片及超級(jí)算力系統(tǒng)提供商，致力于開發(fā)自主可控、國(guó)際領(lǐng)先的高性能通用GPU產(chǎn)品。該公司目前兩款重點(diǎn)產(chǎn)品分別是天垓100和智鎧100，其中天垓100已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)通用GPU從0到1的重大突破，智鎧100的性能也達(dá)到了國(guó)際主流產(chǎn)品的2倍以上。雖然國(guó)產(chǎn)GPU目前仍然與國(guó)外產(chǎn)品存在性能差距，但國(guó)內(nèi)GPU廠商堅(jiān)定不移地朝著這個(gè)方向努力發(fā)展，相信終將實(shí)現(xiàn)追趕。