国产自主GPU架构“天狼星”在北京亮相

GPU（Graphic Processing Unit）即图形处理器，是数字世界图形内容生成的基石，不管是桌面应用、游戏、电影、数字孪生还是元宇宙；与此同时，强大的并行计算能力业已成为各种应用加速的主流手段，正广泛应用于科学计算和人工智能。然而，我国GPU芯片基本全部依赖进口。随着美国不断加码限制英伟达、AMD向我国供应高端GPU芯片，我国进口GPU也受到极大的限制。这些多重因素，更加促使国产GPU企业奋起直追。

6月15日，国产自主GPU架构“天狼星”鉴定及发布会在北京举办。

出席本次活动的行业领导有：国际信息显示学会中国总裁、fellow、俄罗斯工程院外籍院士、国际信息显示学会北京分会理事长严群博士；上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武；原国家能源局电力可靠性和质监中心副主任胡红升；国家开发投资集团国投委执行总监梁敬东；杭州市上城区国有资本运营集团有限公司总经理陈轰；湖州市南太湖新区招商服务中心章佳辉；OPPO投资部陆宇仟珊；量子创新（北京）信息技术有限公司创始人程全富，副总裁郭松；北京锐马视讯科技有限公司副总裁徐言茂，副总裁肖志刚；北京德风新征程科技股份有限公司副总裁王妙维。

GPU架构“天狼星”出世

GPU架构“天狼星”由国内企业中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，简称中天恒星/ATS）自主研发。

中天恒星研发团队由卡内基梅隆大学电子与计算机工程博士、清华大学软件学院、微电子学研究所副教授、NVIDIA合作教授邓仰东博士率领。邓博士是GPU通用计算最早研究人员之一，被誉为“GPU通用计算先行者”。邓博士长期从事图形处理器体系结构、并行计算研究和芯片产品开发工作；曾设计出全球第一个基于FPGA的GPU仿真平台；研究成果在ISCA、MICRO、等顶级会议和期刊发表。邓博士撰写多部教材和专著，其中《数字集成系统的结构化设计与高层次综合》入选清华大学及多所大学研究生教材，《异构处理器OpenCL编程导论》是国内GPU异构计算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三维集成电路的第一部专著。

“天狼星”GPU架构有几大亮点：一是具有3D图形引擎+2D图形加速+视频引擎。二是自主可控/灵活优化的指令集和VLIW/SIMD机器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/灵活优化的指令集，保证GPU芯片迭代的软件兼容。三是SIMT计算框架，充分利用图形应用的数据并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。四是支持物理真实渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA'14.15)。五是Shader Core(Graphics ProcessingCluster)，包括SIMT独立指令执行单元、以32位浮点ALU为基础的统一图形架构(ICCD13)以及集成寄存器堆、纹理/数据缓存。六是延迟聚集式全局线程调度技术(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。七是具有良好性能伸缩性的片上互联架构(MICRO'20、TPDS’21)。

此次发布的天狼星的主要有三个技术优势：第一、面向亿级订单市场，以独立显卡GPU芯片主流产品为突破口，瞄准需求广阔、增长强劲的亿级刚需市场，突出性价比优势；第二、拥有完全自主知识产权，以清华大学超过10年研究基础为依托的自研核心架构，确保产品迭代自主可控。以基础理论研究为基础，从数学公式推导开始，从架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现、驱动开发等环节全部正向设计。核心架构完整知识产权，已申请专利和著作权数百项，数十项已获授权；相关研究成果发表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊；第三、完备的交付能力，上下游产业链准备充分，确保产品量产自主可控；芯片设计完成全面验证，确保流片成功；软硬件接口符合国际标准，确保芯片装机即可使用，包括操作系统认证：Windows WHQL；API认证：Open GL Conformance Test；外围接口认证：HDMI DP CTS；专业测试认证：PHY layer和LIINK layer；质量体系认证：显卡3C认证（中国）、 日本VCCI 、欧盟CE、 美国FCC。 

得到业界专家高度认可

当前,Imagination和Vivante两家公司是主要IP来源，这些IP主要是针对移动应用的GPU内核，不适合桌面应用。此外，购买第三方的IP，难以形成成熟的图形显卡级GPU，核心电路专利无法自控和自主迭代。

中天恒星联合创始人、总架构师邓仰东博士表示：“很多国产的GPU的IP授权主要购买的第三方。中天恒星的路线有所不同，核心的图形引擎完全自主设计的，所以3D图形引擎这块不涉及到别人的知识产权，也没有IP的问题，全部是我们自己拥有，从0到完整架构的实现，都是我们自主的技术。”

自研GPU架构存在极高的技术挑战。邓仰东分析指出：“GPU设计有几个地方非常复杂：一个是架构级的设计，这其实是个统筹的艺术。GPU本身的资源，在所谓的uni版的shader，所有的计算资源是一样的，大家都用32比特或者64比特的浮点运算单元，这是一个配合的问题。有很多个核共享L2的cash，然后每个核内有自身的计算单元，还有通往片外的各种通道，实际上片上还有一些针对图形的，比如像纹理的缓存；这些虽然很容易知道是什么样的模块，难的是如何配合起来实现整体性能最优。换言之，如何通过统筹协调，能够适应绝大多数图形应用。在大多数情况下，均衡的设计保持性能每秒至少30帧，这是一个极具挑战的地方。二是，架构仿真的时间非常长，需要经验也需要直觉，去找出架构问题到底出在哪里。这方面也是一个很大的挑战，需要有多年的积累才能去做这件事。”

GPU架构“天狼星”得到行业专家的高度认可和好评。

对于天狼星架构，国际信息显示学会中国总裁、fellow、俄罗斯工程院外籍院士、国际信息显示学会北京分会理事长严群博士指出：“GPU架构“天狼星”很多指标非常先进，基于“天狼星”架构的第一代GPU芯片正好定位于显示。如果与显示结合，将能在显示领域产生非常多颠覆性的应用创新。我是做显示的，现在显示这个行业也在进行革命，正在进入第三代显示。第一代显象管电视，非常笨重，而且色彩也不好；从显象管到平板是一次革命性的进步，显示器变得很轻薄，画质非常好。”

严群院士参与了整个等离子显示的原创研发、规模化生产。他指出，两代显示技术有一个通用的形式，就是显示内容都在平面上，没有跳跃出平面的状态，最大的问题就是互动性没法体现。

现在逐步进入到下一代显示，估计五到十年可能就会到来。到那时，显示的内容可以跳到空间中，跟人进行实时影像交互，这个技术是真正的3D影像。有了这个技术以后，就可以实现影视游戏化、游戏影视化。

 严院士指出：“‘天狼星’GPU架构可以处理像素的带宽非常大。显示领域要做空间三维影像的话，对数据量的要求非常大，计算需求非常大。显示行业现在已经在做这方面工作，如何实现空间三维影像，最大的问题就是怎么做图像处理，包括数据传输，都是一系列巨大的问题，这个生态是非常需要有高算力的图形化处理硬件。”

他举例道，苹果一两个星期前发布了Vision Pro，核心并不是头戴式设备，头戴式设备只是临时性产品。以后真正的产品是不需要带头盔的，看到的三维影像就在人们的面前。现在的显示屏比较尴尬，是一种被动式显示技术，观看的人对信息传输只有接收，没有互动，一旦显示屏加上很多GPU功能，有了沉浸式三维影像呈现、交互体验，这就不是传统的电视了。

严群院士表示，现在ChatGPT很火，这个人工智能我们认为还是处于幼儿园、小学阶段，但这已经很可怕了，如果有了交互，以后灵魂是在数据里了，这个时候抓取的大数据，不是Chat生成式了，而是交互式GPT，这个时候大数据经过人工智能的学习以后，会远远超过人类的智力和能力，这是真正元宇宙的目标。“

苹果Vision pro实际是一个操作系统的革命以及生态革命。严院士指出：“‘天狼星’GPU架构的第一代芯片瞄准显示领域，中天恒星抓住了很好的时机。如果能够逐步上去的话，国内不见得比现在西方有些国家的东西落后，因为‘天狼星’GPU抓的点是更高阶层的点。”

上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武认为：“现在正好是非常好的关口，即产业革命和新技术革命的兴起，大家也看到包括云计算、数字化、智能汽车、云端到边缘等等，这些产业化以后，都需要大算力，也就是我们所说的GPU。所以我们赶上的时机非常好，未来随着新的技术产业革命的发展，这个方面的空间是非常大的。”

“中天恒星自研架构，有这几个特点：一是3D图形渲染。二是指令集的自主可控，这是非常不容易的。三是它的框架结构，包括在整个储存器当中的DDR4实现高速存储，这个设计也是比较领先的架构，中天恒星都用上了，这决定了未来的产品用途非常广泛。中天恒星的切入点在显示领域，我觉得显示领域非常广阔，我相信在黄总的带领下，中天恒星一定会从架构到产品，最后能够使我们的产品在全球落地。”郭奕武指出。

克服重重考验 终将“亮剑”

依托研发团队多年研究成果，中天恒星从数学公式推导开始，架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现和驱动开发等环节全部正向设计，核心IP完全自主可控，拥有图形GPU完整知识产权，并已申请专利和著作权数百项，其中25项已获授权，相关研究成果发表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊。

2019年，第一代“天狼星”架构芯片设计验证完成。2021年，第一代“天狼星”架构GPU诞生；2022年，定义第二代GPU架构“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架构GPU实现量产。

GPU架构取名为“天狼星”有着独特的寓意，中天恒星创始人黄永博士指出：“我们的架构全部是以恒星来命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出来有超一流、卓越的含义。第二代架构命名为大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因为距离地球更远，所以看起来没有天狼星亮；实际上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太阳的110倍。”

据悉，2024年，中天恒星会继续优化基于“天狼星”架构的GPU。2025年，将量产第二代GPU架构“大角星”。

国产自研“天狼星”GPU架构的推出，无疑推动国产GPU芯片朝前迈出一个新的高度。

当前，美国对中国的科技打压仍在继续，对中国限制供应高端GPU芯片的打压不会减弱。国内的国产替代处在深入推进期，国内下游应用市场采购国内自主可控的芯片的自主性和迫切性更强，这进一步激发中国企业自研GPU芯片的热情，为国产GPU的发展提供了巨大的助力。