国产自主 GPU 架构“天狼星”发布！三大技术优势、七大架构亮点解读 ...

_不良法师_

芯东西（公众号：aichip001）
! k2 G$ }& |' \! B. V! _1 Z作者 | ZeR0
编辑 | 漠影
芯东西 6 月 15 日报道，又一家国产 GPU 公司的新品出鞘！今日下午，中科恒星（简称 ATS）宣布推出国产自主 GPU 架构 " 天狼星 "。


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3 c2 ]" Z8 I3 D  r/ Q) m" f# N' q3 @- \▲邓仰东博士介绍 " 天狼星 "GPU 架构
  M& t/ u, K  H5 g( Y( a2 D' n  ~% B中科恒星成立于 2019 年 8 月，致力于自研核心图形架构 GPU 芯片，提供芯片产品和相关系统解决方案。其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带队。
! w; h: J. R/ V- J+ u, u邓仰东是 GPU 通用计算最早研究人员之一，被誉为 "GPU 通用计算先行者 "，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；撰写过多部教材和专著，其中《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。
8 D3 k1 i; c6 D' V/ T+ e1 N/ b% q谈及给 GPU 架构取名为 " 天狼星 " 的原因，中天恒星创始人黄永博士说：" 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。"
一、三个技术优势：性价比、自主 IP、完备交付能力
由中天恒星联合创始人、总架构师邓仰东带队研发的 " 天狼星 "GPU 架构，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。
* \7 F5 E) S& H( V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：OpenGL 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。

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. W6 j' f! C+ @1 F▲邓仰东博士分享图形 GPU 市场及规模
. [( d: ?' i% n, V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现场分享说，今天看到的显示内容，显示的所有都在显示的平面上，没有跳跃出平面的状态，最大的问题就是它的互动性没法体现。我们现在逐步进入到下一代显示，显示的内容不仅在平面上，而且可以跳到空间上，跟人进行实时影像交互，预计五年到十年可能就会到来。他谈道，做空间三维影像对数据量的要求非常大、计算需求非常大，这个生态是非常需要有高算力的图形化处理硬件。
" E0 T" f; U2 J6 @) y 二、七大架构亮点：灵活优化的指令集，支持物理真实渲染，片上互联架构
" 天狼星 "GPU 架构亮相，该架构有七大亮点：
9 n9 o( `8 @* F0 _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。
$ A  J. E! ^: W2 M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）。
8 ]1 v2 q: ]$ |, x0 M- U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）。
2 y5 r9 I3 P# g0 K) [' G' X七是具有良好性能伸缩性的片上互联架构（MICRO ’ 20、TPDS ’ 21）。
" ~7 M' s+ U! I5 H/ C) _! E4 H2 o, k" 把自己的钱掏出来做这件事，把整个产品、公司的命运和自己的命运联系起来，这是我看到比较少的，" 上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武也来到现场表示祝贺，" 他们非常踏实地在做事情，我觉得在这个方面值得大家学习，也是值得大家肯定的。"
1 X6 a& L% b1 y1 q9 m+ r5 g- t1 r他总结说，中天恒星自研架构有几个特点：一是 3D 图形渲染，二是指令集的自主可控，三是框架结构，包括在整个储存器当中的 DDR4，中天恒星都用上了，决定了其未来的产品、用途非常广泛，而且可以用在各个方面。
0 U( b8 E5 V6 |- s, l8 D3 \ 三、核心图形引擎完全自主设计，不涉及第三方 IP
当前，Imagination 和 Vivante 两家公司是主要的 GPU 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。
0 A6 o7 y8 t6 I5 M+ O. P2 Z* P邓仰东谈道：" 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。据邓仰东分享，GPU 设计有几个地方非常复杂：
5 A: ?5 {- e) H- ]- r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。
0 P5 D, H- W7 y. C9 G" D. _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。这是一个很大的挑战，需要有多年的积累才能去做这件事。
结语：四年潜心研发，2025 年量产第二代 GPU 架构
" 天狼星 "GPU 架构并非一蹴而就，而经历了长期耕耘：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。
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 "。
8 v2 A) [3 S2 o0 p$ @) T0 n3 I2 z6 V中天恒星将提供 GPU 芯片、板卡和系统解决方案，以 PC 标准市场（包括台式机、一体机、笔记本电脑和部分服务器）为核心目标，逐渐拓展至大屏电视、数据中心、云渲染和车载智能系统等市场。