GPGPU國產(chǎn)替代：中國芯片產(chǎn)業(yè)的空白地帶

天數(shù)智芯首席科學(xué)家 鄭金山

2020年8月4日，國務(wù)院公布《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，開篇指出，集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量。2020年的國際環(huán)境，讓全社會(huì)越來越認(rèn)識到中國集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)的薄弱，越來越堅(jiān)定要把集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)搞上去的決心。

今天，我們來談一談GPGPU市場。

縱觀整個(gè)IT系統(tǒng)，從CPU、操作系統(tǒng)、辦公套件、整機(jī)到服務(wù)器，我們都已經(jīng)初步具有一些商用化的可替代產(chǎn)品。唯獨(dú)在GPGPU領(lǐng)域，目前還是一片空白。如下圖所示：

GPGPU是什么

GPGPU全稱是通用圖形處理器（General-Purpose computing on Graphics Processing Units）。它是用專門處理圖形任務(wù)的處理器，執(zhí)行原本由中央處理器處理（CPU）完成的通用計(jì)算任務(wù)。這些通用計(jì)算常常與圖形處理沒有任何關(guān)系。圖形處理器的特點(diǎn)是，并行處理能力特別強(qiáng)，計(jì)算能效比高，并且有很大的存儲(chǔ)帶寬。有些應(yīng)用，例如人工智能（機(jī)器學(xué)習(xí)）模型訓(xùn)練與推理、高性能計(jì)算，它們往往是大數(shù)據(jù)流應(yīng)用，這時(shí)，用GPGPU解決這類問題就比CPU效率更高。雖然目前機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)有遷移到專用硬件的可能，但在編程模型上GPU是圖靈完備的，且對于用傳統(tǒng)語言編寫的、軟件形式的計(jì)算有較好的支持，具有高度的靈活性。

因此，GPGPU目前廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算、行業(yè)AI應(yīng)用、安防與政府項(xiàng)目、互聯(lián)網(wǎng)及云數(shù)據(jù)中心等。其主要應(yīng)用場景：一是人工智能模型訓(xùn)練與推理；二是高性能計(jì)算。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測，到2025年，中國GPGPU芯片板卡的市場規(guī)模將達(dá)到458億元，是2019年86億元的5倍多，2019年到2025年的年復(fù)合增長率高達(dá)32%。按行業(yè)來分，互聯(lián)網(wǎng)及云數(shù)據(jù)中心為228億元，安防與政府?dāng)?shù)據(jù)中心為142億元，行業(yè)AI應(yīng)用為37億元，高性能計(jì)算為28億元。按應(yīng)用場景來分，到2025年的預(yù)測數(shù)據(jù)是，人工智能推理286億元，人工智能訓(xùn)練144億元，高性能計(jì)算28億元。

可以看出，GPGPU在中國的未來需求量很大，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。

GPGPU國產(chǎn)替代的市場呼喚

一般人對GPGPU沒有什么概念。某頭部供應(yīng)商的一塊高端GPGPU板卡，其售價(jià)接近一輛普通轎車的價(jià)格。

當(dāng)前，人工智能應(yīng)用的閘門打開了，很多企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、研究者希望利用人工智能。首先是要做的是人工智能訓(xùn)練，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，反復(fù)訓(xùn)練，得出一個(gè)模型。將這個(gè)模型部署到業(yè)務(wù)應(yīng)用中，當(dāng)對這個(gè)模型輸入一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)模型計(jì)算出一個(gè)結(jié)果，這一過程稱為人工智能推理。例如，一個(gè)游戲網(wǎng)站接收到一個(gè)新用戶注冊，它想判斷這個(gè)用戶是正常用戶，還是競爭對手注冊進(jìn)來拉人的惡意用戶。它就可以利用過去大量的用戶行為數(shù)據(jù)，訓(xùn)練出一個(gè)人工智能模型。這個(gè)模型能夠計(jì)算出，什么樣的用戶行為就有可能是惡意用戶，從而自動(dòng)地對這些用戶限制權(quán)限，或者交給人工客服來處理。類似的應(yīng)用特別多，可以訓(xùn)練機(jī)器做很多以前由人工來完成的事情，例如，安防領(lǐng)域的視頻分析，媒體領(lǐng)域的內(nèi)容生產(chǎn)、字幕生成、內(nèi)容審核、分類與標(biāo)簽，醫(yī)療健康領(lǐng)域的藥物發(fā)現(xiàn)與探索、醫(yī)學(xué)影像自動(dòng)識別、輔助醫(yī)療、自動(dòng)診療，電商領(lǐng)域的個(gè)性化推薦、信用評級，金融交易領(lǐng)域的交易算法、服務(wù)管理與推薦、潛在用戶挖掘，客服領(lǐng)域的語音服務(wù)、聊天機(jī)器人、呼叫中心優(yōu)化，等等。

高性能計(jì)算則是國之重器，計(jì)算機(jī)學(xué)科中的明珠，廣泛應(yīng)用于勘探、天氣、海洋、氣候變化、核能、發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天等領(lǐng)域。

面對日益增長的需求來說，GPGPU的供應(yīng)是沒有很好地滿足的。當(dāng)前，全球GPGPU市場供應(yīng)處于一家獨(dú)大的局面，價(jià)格昂貴，產(chǎn)品種類單一。以中國的云端AI訓(xùn)練芯片市場為例，較大的供應(yīng)商市場份額達(dá)到90%，其中，某一款產(chǎn)品就占整個(gè)市場的50%，另一款產(chǎn)品占25%。

這樣的局面雖然源自該供應(yīng)商的技術(shù)和實(shí)力，但是客戶還是需要更多的選擇。例如在2017年，因?yàn)槿斯ぶ悄苡?xùn)練和數(shù)字貨幣挖礦的需求猛增，GPGPU供不應(yīng)求，價(jià)格高漲，一部分用戶嘗試將原本用作獨(dú)立顯卡的消費(fèi)級GPGPU，替代用于數(shù)據(jù)中心，但是被供應(yīng)商在軟件驅(qū)動(dòng)上禁用，當(dāng)時(shí)引起一陣熱議。

從國家的供應(yīng)鏈安全角度，這兩年，一些重要的企業(yè)和機(jī)構(gòu)陸續(xù)被美國列入禁售實(shí)體名單。這些用戶除了國產(chǎn)替代，別無選擇。

GPGPU國產(chǎn)替代如何突圍

看到這里，很多人一定會(huì)問。第一位的供應(yīng)商占據(jù)90%的市場，這個(gè)市場一定很難攻下，不然全球有那么多芯片公司，早就有別的公司來制衡了。

一方面，前面分析了目前的國際環(huán)境下，我們實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的必要性和緊迫性。國家也出臺了《若干政策》這樣的鼓勵(lì)措施，從財(cái)稅、投融資、研究開發(fā)、進(jìn)出口、人才培養(yǎng)、知識產(chǎn)權(quán)、市場應(yīng)用、國際合作等多個(gè)方面，支持相關(guān)的企業(yè)發(fā)展壯大。另一方面，從技術(shù)難度看，GPGPU也不是可望不可及的。改革開放四十多年來，中國有一大批芯片人才，在國際公司積累了深厚的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)在恰逢中國經(jīng)濟(jì)實(shí)力增長、下決心發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的良好時(shí)機(jī)，他們希望抓住這一機(jī)遇，一顯身手，為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出一份貢獻(xiàn)。

天數(shù)智芯就是這樣一家公司。天數(shù)智芯的芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2018年初組建，數(shù)十名創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)主要來自世界知名芯片公司AMD的GPU部門和企業(yè)軟件翹楚Oracle、IBM、英偉達(dá)等公司。完整的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域平均積累了近十年經(jīng)驗(yàn)，可以說，這是一支在世界范圍內(nèi)都不可多得的、完善的高端芯片設(shè)計(jì)隊(duì)伍。

公司正在積極研發(fā)針對云端算力提升的訓(xùn)練及推理芯片。其中，面向人工智能訓(xùn)練的GPGPU芯片計(jì)劃在今年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，2021年初商業(yè)化投向市場，這將是國內(nèi)首款自研的GPGPU芯片；面向人工智能推理的GPGPU芯片也在研發(fā)之中。

天數(shù)智芯在芯片設(shè)計(jì)初始，就與服務(wù)器廠商合作共同對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行定義，以實(shí)現(xiàn)未來在數(shù)據(jù)中心中的國產(chǎn)替代。目前，天數(shù)智芯已經(jīng)與浪潮、新華三等服務(wù)器廠商簽署戰(zhàn)略合作，共同推動(dòng)服務(wù)器領(lǐng)域人工智能和HPC的計(jì)算芯片及硬件解決方案發(fā)展。天數(shù)智芯還與國產(chǎn)CPU龍頭中科龍芯等密切對接技術(shù)及業(yè)務(wù)合作，打造天數(shù)GPGPU+國產(chǎn)CPU的自主可控超算解決方案。

展望未來，我們深知任務(wù)艱巨，但我們也有信心、決心和耐力，為國產(chǎn)GPGPU闖出一片天地。也希望有更多的人才、合作伙伴、行業(yè)應(yīng)用單位加入我們的征程。

作者簡介：

鄭金山，上海天數(shù)智芯半導(dǎo)體有限公司首席科學(xué)家，擁有21年芯片設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，曾先后供職于Trident、XGI、ATI Technologies、AMD超微半導(dǎo)體上海有限公司和酷芯微電子(Artosyn)，任高級經(jīng)理、PMTS和架構(gòu)師等職位。專注于GPU IP設(shè)計(jì)多年，對GPU架構(gòu)與設(shè)計(jì)有深厚的造詣。他建立與帶領(lǐng)上海芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)參與過多個(gè)顯卡(從Radeon HD2000到R400)芯片的研發(fā)與產(chǎn)品化。在酷芯微電子參與了機(jī)器視覺芯片9201的研發(fā)并成功量產(chǎn)。鄭金山1999年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)ASIC與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲微電子與固體電子學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位。