GPGPU國產(chǎn)替代：中國芯片產(chǎn)業(yè)的空白地帶

近日，國務院公布《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質量發(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，是引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關鍵力量。2020年的國際環(huán)境，讓全社會越來越認識到中國集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)的薄弱，越來越堅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IT系統(tǒng)，從CPU、操作系統(tǒng)、辦公套件、整機到服務器，我們都已經(jīng)初步具有一些商用化的可替代產(chǎn)品。唯獨在GPGPU領域，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的處理器，執(zhí)行原本由中央處理器處理（CPU）完成的通用計算任務。這些通用計算常常與圖形處理沒有任何關系。圖形處理器的特點是，并行處理能力特別強，計算能效比高，并且有很大的存儲帶寬。有些應用，例如人工智能（機器學習）模型訓練與推理、高性能計算，它們往往是大數(shù)據(jù)流應用，這時，用GPGPU解決這類問題就比CPU效率更高。雖然目前機器學習會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、軟件形式的計算有較好的支持，具有高度的靈活性。

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

根據(jù)有關數(shù)據(jù)預測，到2025年，中國GPGPU芯片板卡的市場規(guī)模將達到458億元，是2019年86億元的5倍多，2019年到2025年的年復合增長率高達32%。按行業(yè)來分，互聯(lián)網(wǎng)及云數(shù)據(jù)中心為228億元，安防與政府數(shù)據(jù)中心為142億元，行業(yè)AI應用為37億元，高性能計算為28億元。按應用場景來分，到2025年的預測數(shù)據(jù)是，人工智能推理286億元，人工智能訓練144億元，高性能計算28億元。

可以看來，GPGPU在中國的未來需求量很大，對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關重要。

GPGPU國產(chǎn)替代的市場呼喚

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

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

高性能計算則是國之重器，計算機學科中的明珠，廣泛應用于勘探、天氣、海洋、氣候變化、核能、發(fā)動機、航空航天等領域。

面對日益增長的需求來說，GPGPU的供應是沒有很好地滿足的。當前，全球GPGPU市場供應處于一家獨大的局面，價格昂貴，產(chǎn)品種類單一。以中國的云端AI訓練芯片市場為例，最大的供應商市場份額達到90%，其中，某一款產(chǎn)品就占整個市場的50%，另一款產(chǎn)品占25%。

這樣的局面雖然源自該供應商的技術和實力，但是客戶還是需要更多的選擇。例如在2017年，因為人工智能訓練和數(shù)字貨幣挖礦的需求猛增，GPGPU供不應求，價格高漲，一部分用戶嘗試將原本用作獨立顯卡的消費級GPGPU，替代用于數(shù)據(jù)中心，但是被供應商在軟件驅動上禁用，當時引起一陣熱議。

從國家的供應鏈安全角度，這兩年，一些重要的企業(yè)和機構陸續(xù)被美國列入禁售實體名單。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，很多人一定會問。第一位的供應商占據(jù)90%的市場，這個市場一定很難攻下，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》這樣的鼓勵措施，從財稅、投融資、研究開發(fā)、進出口、人才培養(yǎng)、知識產(chǎn)權、市場應用、國際合作等多個方面，支持相關的企業(yè)發(fā)展壯大。另一方面，從技術難度看，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?，F(xiàn)在恰逢中國經(jīng)濟實力增長、下決心發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)的良好時機，他們希望抓住這一機遇，一顯身手，為中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出一份貢獻。

天數(shù)智芯就是這樣一家公司。天數(shù)智芯的芯片研發(fā)團隊于2018年初組建，數(shù)十名創(chuàng)始團隊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、英偉達等公司。完整的芯片設計團隊在芯片設計領域平均積累了近十年經(jīng)驗，可以說，這是一支在世界范圍內都不可多得的、完善的高端芯片設計隊伍。

公司正在積極研發(fā)針對云端算力提升的訓練及推理芯片。其中，面向人工智能訓練的GPGPU芯片計劃在今年實現(xiàn)批量生產(chǎn)，2021年初商業(yè)化投向市場，這將是國內首款自研的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)智芯在芯片設計初始，就與服務器廠商合作共同對產(chǎn)品設計進行定義，以實現(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、新華三等服務器廠商簽署戰(zhàn)略合作，共同推動服務器領域人工智能和HPC的計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及業(yè)務合作，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)智芯半導體有限公司首席科學家，擁有21年芯片設計工作經(jīng)驗，曾先后供職于Trident、XGI、ATI Technologies、AMD超微半導體上海有限公司和酷芯微電子(Artosyn)，任高級經(jīng)理、PMTS和架構師等職位。專注于GPU IP設計多年，對GPU架構與設計有深厚的造詣。他建立與帶領上海芯片設計團隊參與過多個顯卡(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)于復旦大學ASIC與系統(tǒng)國家重點實驗室，獲微電子與固體電子學專業(yè)碩士學位。