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國產GPU的第一縷光：自研架構“天狼星”在京亮相

華夏時報（www.chinatimes.net.cn）記者 柳川 陳鋒 北京報道

不久前，對于美國對中國芯片業的打壓，英偉達首席執行官黃仁勛接受媒體采訪時說：“無法向美國采購GPU芯片，將促使中國自行研發設計制造。”

【資料圖】

黃仁勛的話很快就得到應驗。6月15日，國產自主GPU架構“天狼星”鑒定及發布會在北京舉辦。據悉，中天恒星研發團隊由卡內基梅隆大學電子與計算機工程博士、清華大學軟件學院、微電子學研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領。此次發布的“天狼星”主要有三個技術優勢：突出性價比優勢、擁有完全自主知識產權、完備的交付能力。

中天恒星聯合創始人、總架構師鄧仰東博士對《華夏時報》記者表示：“很多國產的GPU的IP授權主要購買自第三方，中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎是完全自主設計的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識產權，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。”

國產自主GPU架構“天狼星”出世

GPU（Graphic Processing Unit）即圖形處理器，是數字世界圖形內容生成的基石，不管是桌面應用、游戲、電影、數字孿生還是元宇宙；與此同時，強大的并行計算能力業已成為各種應用加速的主流手段，正廣泛應用于科學計算和人工智能。然而，我國GPU芯片基本全部依賴進口。隨著美國不斷加碼限制英偉達、AMD向我國供應高端GPU芯片，我國進口GPU也受到極大的限制。

6月15日，國產自主GPU架構“天狼星”鑒定及發布會在北京舉辦。“天狼星”由國內企業中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡稱中天恒星/ATS）自主研發。

中天恒星研發團隊由卡內基梅隆大學電子與計算機工程博士、清華大學軟件學院、微電子學研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領。

資料顯示，鄧博士是GPU通用計算最早研究人員之一，被譽為“GPU通用計算先行者”。鄧長期從事圖形處理器體系結構、并行計算研究和芯片產品開發工作；曾設計出全球第一個基于FPGA的GPU仿真平臺；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級會議和期刊發表。

據悉，“天狼星”GPU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芯片迭代的軟件兼容。三是SIMT計算框架，充分利用圖形應用的數據并行性。四是支持物理真實渲染。五是，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。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯架構。

此次發布的“天狼星”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芯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、擁有完全自主知識產權，以清華大學超過10年研究基礎為依托的自研核心架構，確保產品迭代自主可控。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、硬件實現、驅動開發等環節全部正向設計。核心架構完整知識產權，已申請專利和著作權數百項，數十項已獲授權；相關研究成果發表于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；芯片設計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬件接口符合國際標準，確保芯片裝機即可使用，包括操作系統認證等。

對于“天狼星”架構，上海市集成電路行業協會秘書長郭奕武向《華夏時報》記者分析：“中天恒星自研架構，有這幾個特點：一是3D圖形渲染。二是指令集的自主可控，這是非常不容易的。三是它的框架結構，包括在整個儲存器當中的DDR4實現高速存儲，這個設計也是比較領先的架構，中天恒星都用上了。”

他進一步表示：“這決定了未來的產品用途非常廣泛。中天恒星的切入點在顯示領域，我覺得顯示領域非常廣闊，我相信在黃總的帶領下，中天恒星一定會從架構到產品，最后能夠使我們的產品在全球落地。”

逐步量產

目前，全球GPU市場主要由英偉達、英特爾和AMD三家巨頭壟斷，去年四季度獨立GPU份額分別為85%、6%、9%。其中，人工智能、云端計算和獨立GPU主要為英偉達主導，A100和H100最高浮點算力分別實現19.5 TFLOPS 和67 TFLOPS。

相較于此，中國國產GPU尚處萌芽期，與國際廠商差距更大。但隨著高端GPU的出口限令，針對中國市場推出的特供版A800也已漲10萬元的高價，國內GPU市場需求緊迫。

在此情形下國產化迫在眉睫，國產GPU廠商近幾年也不斷涌現，目前國內自研GPU的領軍企業主要是寒武紀、景嘉微、華為昇騰等。

事實上，自研GPU架構存在極高的技術挑戰。

鄧仰東分析指出：“GPU設計有幾個地方非常復雜：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，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里。這方面也是一個很大的挑戰，需要有多年的積累才能去做這件事。”

2019年，第一代“天狼星”架構芯片設計驗證完成；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。

GPU架構取名為“天狼星”有著獨特的寓意，中天恒星創始人黃永博士指出：“我們的架構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。第二代架構命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。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。”

據悉，2024年，中天恒星會繼續優化基于“天狼星”架構的GPU。2025年，將量產第二代GPU架構“大角星”。

國際信息顯示學會北京分會理事長嚴群博士則向《華夏時報》記者表示：“我覺得現在真是一個很好的時機，要抓住它，潮流也在往這個方向走，機會非常多。我們如果能夠逐步上去的話，我們不見得會比現在西方的有些國家的東西落后，因為你抓的點是更高層級的點。”

郭奕武認為：“現在正好是非常好的關口，即產業革命和新技術革命的興起，大家也看到包括云計算、數字化、智能汽車、云端到邊緣等等，這些產業化以后，都需要大算力，也就是我們所說的GPU。所以我們趕上的時機非常好，未來隨著新的技術產業革命的發展，這個方面的空間是非常大的。”