国产GPU为何“一夜杀到老黄城下”？

鱼羊 梦晨 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

国产GPU，这波发展势头有点猛啊。

先是芯动科技在去年底推出一颗“风华1号”，剑指高性能桌面级/服务器级显卡市场。

现在摩尔线程仅用18个月时间，量产上市了一款全功能国产GPU。壁仞科技也紧跟着宣布首款通用GPU芯片点亮成功。

如此速度和成果，甚至引来外界惊叹：

这是一夕之间就杀到了老黄城墙下的节奏？

大家最关心的，一是产品本身，性能、价格、啥时能买到。

再就是背后的行业突然火爆的原因，“怎么就做到了？”、“专利咋就饶过了？”

热议之中，“IP授权”一词也逐渐浮出水面。

比如，在这轮讨论中被反复提及的，就有一家名为Imagination的芯片设计厂商。

坊间传闻，这一波GPU头部创企的新产品起势，有不少与其脱不开关系……

中资背景的芯片设计公司

Imagination Technologies，和大名鼎鼎的ARM一样，这是一家总部位于英国的芯片设计公司，依靠向其他厂商授权芯片IP，收取授权费盈利。

早年间，这家公司曾以“苹果御用IP授权商”而闻名。

从第一代iPhone到iPhone 7 Plus，A系列芯片中的图形处理器部分，都是基于Imagination的PowerVR的IP核设计开发。

事实上，不仅是苹果，英特尔、三星、联发科、华为海思等都是Imagination的客户。

统计数据显示，在2010年，全球售出了超过2.15亿枚包含PowerVR技术的芯片。

2012年，Imagination在移动GPU IP授权市场占比接近50%。

另外，据《金融时报》报道，英特尔和苹果都曾大量持有这家芯片设计公司的股份，以至于该公司一度陷于两强之间拉锯战。

2016年，还有媒体报道苹果已经与Imagination就收购进行了“高级谈判”。但最终这项收购案并没有下文。

一个重大的转折发生在2017年。

2017年4月，苹果官宣与Imagination“分手”，开始自研GPU。

这使得Imagination的股价应声暴跌，跌幅一度超过70%——据《金融时报》报道，在当时，Imagination有一半以上的收入来自苹果。

而在此之前，Imagination的GPU业务本就已遭受来自ARM Mali的冲击。

ARM为了拓展Mali GPU的市场份额，采取了“买CPU，送GPU”的策略，即购买CPU核授权，就能享GPU核折扣。

不少媒体评价认为，虽然Imagination在移动GPU技术上具有领先优势，但ARM的“买一送一”策略还是让不少手机芯片厂商选择调转阵营。

困境之下，最终是一家中资背景的私募基金抬了Imagination一手：主要资金来自国新基金的Canyon Bridge出资5.5亿英镑（约合49亿元人民币）收购了Imagination Technologies。

值得一提的是，Imagination还曾将CPU芯片架构MIPS收入囊中，但在牵手Canyon Bridge时对该业务进行了拆分出售。

虽然如今的移动GPU一号位已经被ARM抢占，但Imagination近几年的发展势头又起来了。

尤其是其在移动光追技术上的投入，现在已经初见成效。

虽然除了芯动科技以外，官方没有明确透露有哪些国产芯片厂商与Imagination达成了合作，但完美世界、腾讯游戏、网易游戏等游戏公司都出面为PowerVR Photon这个“移动GPU领域最先进光追架构”站过台。

苹果也已在2020年1月与Imagination重修旧好，达成了新的多年期授权协议。

IP授权是怎么个玩法

说了这么多，像Imagination这样的IP供应商，到底在GPU设计开发的过程中扮演怎样的角色？

首先要解释的是，芯片领域说的IP就是知识产权的那个IP(Intellectual Property)。

已验证的、可以重复使用的集成电路设计模块又称作IP核。

在早期，芯片公司会把自己开发好的、能完成特定功能的电路做成模块复用，也就是常说的“不要重复造轮子”。

随着集成电路规模越来越大，芯片功能越来越复杂，各类电子产品上市节奏也在加快。

一家芯片公司很难再独立完成所有模块的设计，使用已验证的成熟IP核就成了降低成本、缩短设计周期的必然选择和行业惯例。

专门提供IP核授权的供应商也从产业链中分化出来。

这方面最大的公司就是ARM，像高通和联发科等手机芯片CPU部分用的ARM Cortex-A710和X2等，就是以IP核形式授权的微架构。

根据授权形式，IP核又分软核、固核和硬核三种。

软核是用Verilog/VHDL等硬件描述语言描述的电路模块，只提供源代码不涉及硬件部分。

固核是在软核基础上完成了门电路层面的设计和验证，交付的是门级电路网表 (Gate-level Netlist)。

硬核进一步完成了物理上的布局布线、包括仿真验证等步骤，提供设计阶段的最终产品掩膜版图。

从软到硬，购买IP核后需要完成的工序越少，可调整空间也越小。

不过，即使可以从第三方购买IP核，完整的GPU设计仍然不是一件容易的事。

以英伟达最新发布的Hopper为例，一个全功能GPU架构，光是运算部分就包括用于图像渲染的流处理器、用于数据计算的张量单元、再加上光栅化处理单元(ROPs)、光线追踪单元等。

周边还有显存、缓存、视频解码、电源管理、PCIe总线接口等。

△ Nvidia Hopper架构

根据IBS统计，7nm制程下单颗芯片中可集成的IP核数量平均为178个，到5nm还会增长到218个。

要把这么多IP核集成到一起，保证它们之间高效协作依旧困难重重。

对于软IP需要做硬化、不同IP之间接口的统一、还有芯片整体的布局设计、整体验证和测试等……

有任何一点疏忽都可能造成流片失败，需要从头再来，上亿的流片费用和前期更多投入都血本无归。

GPU IP核授权市场上，ARM、Imagination、芯原微电子目前占有率排全球前三。

三家的风格和境遇也不尽相同。

ARM的Mali系列GPU主打移动端，被联发科、三星、华为海思选用。不过海思前景不明，三星也开始着手在AMD架构授权下自研IP。

Imagination更专注于GPU，PowerVR早年性能领先于高通和ARM，但收入来源单一，失去大客户苹果后遭重大打击，正在寻求开拓桌面、车载和高性能计算市场。

芯原微电子(VeriSilicon)是国内老牌IP供应商，同时提供一站式芯片设计服务，GPU业务收购自美国图芯(Vivante)。现在是国内排名第1、全球排名第7的芯片IP授权服务商。

△图源：芯原2021年报

国产GPU最近一段时间借助IP授权多点开花，纷纷流片成功或量产，算是迈出了艰难的第一步。

IP授权模式除了能减少投入加速回报，还能迅速积累经验、逐步建立起人才队伍。

有了积累之后，才可能像苹果、三星一样攀登架构授权+IP自研之路。

事实上，就连苹果的自研IP也并非一帆风顺，分手3年后又回头重新与Imagination合作，据市场传闻有专利方面的原因。

IP核供应商早已用技术优势与专利权构筑起护城河，芯片设计公司想绕过就要付出更大的代价。

如手机GPU搭载光线追踪成为一大趋势，Imagination与高通走在前面，苹果如坚持自研，就要绕过已有专利提出新方法，如此则面临跟不上产品更新换代节奏的风险。

最后，一款GPU能否成功走入市场也不光是硬件的事，配套的编程接口和软件支持也很重要。

像英伟达能成为GPU市场上的霸主，除了硬件性能强大，CUDA计算平台生态也是一大原因。

AMD对应推出的ROCm开放计算平台，短时间内也难以撼动CUDA的统治地位。

像摩尔线程、壁仞科技这样的国产GPU创业公司，还有很长的路要走。

国产GPU，为何是现在？

国产芯片创业上一轮爆发与AI热潮同步，聚焦于数据计算，也就是各类DPU、NPU。

15年开始，诞生了地平线、寒武纪、燧原这一批AI芯片独角兽，随后BAT华为等大厂也纷纷亲自下场。

20年下半年开始，资本市场上讲出了包括图形渲染在内的全功能GPU的新故事。

壁仞科技、摩尔线程先后成立并大笔融资，芯动科技、兆芯等老牌芯片公司的独立显卡项目也在这附近官宣。

这段时间几件大事，或许都有影响在其中。

首先要说的是，2020年国家全面推广信创产业，其中涉及芯片、服务器的国产替代、自主可控。

芯动科技就把“信创”列为风华1号的主要应用方向之一，还与国产操作系统统信达成生态合作，完成国产GPU与国产OS的适配。

△芯动科技官网

另外，受全球芯片短缺和挖矿影响，GPU本身的价格也从2020年开始暴涨。

GPU挖矿主要挖的是以太坊，其价格在一年间增长了4.8倍。而在这之前，芯动科技的业务之一是生产挖比特币用的ASIC矿机。

△芯动科技官网

最后，元宇宙、数字人、AR/VR的火爆也把3D图形计算需求抬到新高度。

壁仞科技在应用方向上透露过重点关注自动驾驶和元宇宙、摩尔线程还特别提出“元计算”。

△摩尔线程官网

如此看来，2020年中段开始创业或立项，不到2年纷纷拿出量产或流片的成果，就是国产GPU现在的速度。

其中芯动科技的风华1号明确表示使用了Imagination的IMG B系列GPU IP，另外几家没有透露具体情况。

PS. 针对Imagination IP授权一事，我们问了问相关头部创企，对方未作回应。

参考链接：
[1]https://www.imaginationtech.com/products/gpu/
[2]http://sam.zeloof.xyz/ic-design-tools-from-verilog-to-mask/
[3]https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/VHSIC+hardware+description+language