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

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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）。

“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。”

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。

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。

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：

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”。

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。