在數(shù)字經(jīng)濟(jì)化時(shí)代，算力就是生產(chǎn)力。隨著以算力為核心的科技競(jìng)爭(zhēng)成為當(dāng)前大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略焦點(diǎn)，把握算力發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇期就是搶占發(fā)展的主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)。

作為新型生產(chǎn)力，算力的迅猛發(fā)展離不開芯片、數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)鏈的日臻完善，特別是作為三大算力芯片之一的GPU，更是兵家必爭(zhēng)之地。而由GPU衍生出來的GPGPU憑借并行計(jì)算理念打造出強(qiáng)大的高性能通用計(jì)算優(yōu)勢(shì)，在算力時(shí)代正風(fēng)生水起。

有算力時(shí)代繪就的宏偉GPGPU藍(lán)圖召喚，有英偉達(dá)一飛沖天的傳奇激勵(lì)，疊加中國(guó)進(jìn)口替代以及科創(chuàng)板的杠桿效應(yīng)，資本對(duì)GPGPU賽道高度興奮，一眾初創(chuàng)公司亦相繼涌現(xiàn)，爭(zhēng)相登高一呼，要在融資、量產(chǎn)、應(yīng)用層面試比高，也讓這一賽道端得熱鬧非凡。

但要警醒的是，與GPGPU高熱相伴的是圈內(nèi)的浮躁風(fēng)、套殼風(fēng)和虛夸風(fēng)不止。而在波譎云詭的國(guó)際形勢(shì)面前一系列熱點(diǎn)事件的發(fā)酵，更讓業(yè)界關(guān)注國(guó)產(chǎn)GPGPU的真實(shí)“成色”。穿越GPGPU的重重迷霧，到底該如何解鎖國(guó)產(chǎn)GPGPU的真功夫？

通用or專用，智能算力芯片架構(gòu)該如何設(shè)計(jì)？

常用芯片中最通用的就屬CPU。以英特爾、AMD為代表，幾乎可以做任何事情，但是無法做到極致的性能和功耗。能做到極致能效比的是專用芯片，既所謂的ASIC。但是它的編程性差，應(yīng)用的范圍就比較窄。

而在這兩個(gè)極端之間還有很多選擇，比如GPU，這些年越來越成為行業(yè)的熱點(diǎn)。GPU是一個(gè)相對(duì)比較通用的處理器，現(xiàn)在稱之為GPGPU，具有良好的編程性，特別適合大規(guī)模數(shù)據(jù)并行類應(yīng)用。還有一類在硬件靈活度上更大的就是FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），這類器件可以通過硬件描述語言來改變邏輯結(jié)構(gòu)，性能和功耗會(huì)更好，只是編程的難度較大。

通過分析過去五年具有代表性的芯片公司的股價(jià)走勢(shì)，就可以對(duì)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)窺見一斑：英特爾近五年股價(jià)上漲了50%；Xilinx（全球領(lǐng)先的FPGA公司）股價(jià)大概上漲了2.6倍；而英偉達(dá)（當(dāng)紅的GPGPU壟斷企業(yè)）過去五年股價(jià)上漲了16倍。我們即便不去追究深層次的原因，僅憑股價(jià)的成長(zhǎng)也可以判斷行業(yè)已經(jīng)作出了選擇，GPGPU已經(jīng)成為未來計(jì)算的主角和核心。

同時(shí)，以史為鑒，從GPU的發(fā)展歷史看，它是如何一步一步成長(zhǎng)為行業(yè)王者的？

GPU早在上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了，那時(shí)對(duì)于游戲的需求催生了特殊的專用于圖形渲染的硬件，這就是早期的GPU。在1990年-2000年這段時(shí)間，涌現(xiàn)了很多GPU廠商，每家公司規(guī)模并不大，有很多代表性的專用芯片產(chǎn)品。但是到了2005年左右，大家意識(shí)到在圖形學(xué)這個(gè)領(lǐng)域算法變化很快，可能每隔幾個(gè)月甚至每隔幾周就會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。但芯片需要18個(gè)月才能完成一次更迭，如果把硬件完全固定下來就無法跟上行業(yè)發(fā)展的節(jié)奏。

所以，人們開始探索把原來不可變的執(zhí)行流水線，設(shè)計(jì)成可以部分編程的架構(gòu)，這種架構(gòu)更加靈活，可以更加高效的適應(yīng)算法的變化。真正的GPGPU行業(yè)大發(fā)展始于2006年出現(xiàn)的CUDA（Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)），它是一種精心設(shè)計(jì)的、可對(duì)GPGPU直接編程的接口和語言。從此以后，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)并行應(yīng)用就可以方便地使用CUDA編程，從而釋放出GPGPU中可觀的算力。

所以回看過去幾十年GPU的發(fā)展之路，是一條從“專用”過渡到“比較通用”，直到現(xiàn)在“非常通用”的發(fā)展路徑。如果我們用來類比今天的人工智能，是否也有相同的趨勢(shì)？AI需要極致的算力和能效比，做成專用芯片可能是合適的。但AI算法的變化又非?？?，可能以“天”計(jì)，這又要求我們不能做成非常固定的硬件，可能最后也會(huì)收斂到一個(gè)偏通用的架構(gòu)。這是我們的一個(gè)推論。



補(bǔ)位迫切 國(guó)產(chǎn)GPGPU迎來新考驗(yàn)

經(jīng)過多年的積淀，中國(guó)作為算力發(fā)展的“領(lǐng)跑者”，已在算力競(jìng)逐中走到世界前列。

截至2022年6月，中國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模超過590萬臺(tái)，服務(wù)器規(guī)模約2000萬臺(tái)，算力總規(guī)模超過150 EFlops，位列全球第二。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2025年，中國(guó)GPGPU市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到458億元，相較于2019年的86億元增長(zhǎng)5倍多。

但在巨大的市場(chǎng)規(guī)模背后，折射的卻是GPGPU難言的尷尬境地。英偉達(dá)、AMD雙雄憑借多年構(gòu)筑的護(hù)城河優(yōu)勢(shì)，壟斷了中國(guó)GPGPU的90%市場(chǎng)。隨著GPGPU應(yīng)用在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)、安防、HPC等市場(chǎng)蔚然成風(fēng)，無論是中國(guó)自身算力的大發(fā)展，還是國(guó)產(chǎn)高端大芯片的自主化率提升，國(guó)產(chǎn)GPU不能也不應(yīng)在這一賽道上缺席太久。

加之中美科技戰(zhàn)愈加嚴(yán)峻，特別是英偉達(dá)禁售A100事件發(fā)生以來，國(guó)產(chǎn)GPGPU“替代”之路將不斷加快，如何做強(qiáng)成為新的考驗(yàn)。

特別是黨的二十大報(bào)告也提出，以國(guó)家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，集聚力量進(jìn)行原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，堅(jiān)決打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。GPGPU作為國(guó)內(nèi)急待突破的高端芯片之一，必然要走上自主化道路。

近幾年國(guó)內(nèi)GPGPU公司乘著政策、資本、人才和應(yīng)用的東風(fēng)相繼涌現(xiàn)，除了一眾老將之外，包括珠海芯動(dòng)力、壁仞、沐曦、登臨、天數(shù)智芯、紅山微電子、瀚博半導(dǎo)體等新勢(shì)力集結(jié)發(fā)力，或在自研架構(gòu)層面的高算力高靈活性發(fā)力；或在生態(tài)打造上可圈可點(diǎn)；或在應(yīng)用上開疆拓土，在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域也在加快落地。



從云端走向更廣闊的場(chǎng)景

作為一種通用計(jì)算芯片，云端訓(xùn)練只是GPGPU典型的應(yīng)用場(chǎng)景之一，正如NVIDIA所言，GPGPU最終的目的是將AI引入到各行各業(yè)中。鄒翾也談到：“我們做的GPGPU全稱是通用圖形處理器（General-Purpose Computing on Graphics Processing Units），就是讓本為圖形圖像處理而生的GPU能夠運(yùn)行圖形渲染之外的通用計(jì)算任務(wù)?！?/span>

鄒翾表示，GPU在端到端AI部署中，屬于一個(gè)已經(jīng)被驗(yàn)證的芯片架構(gòu)。AI端側(cè)發(fā)展會(huì)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用背后更多新型函數(shù)和新型算子的出現(xiàn)，這些需求將被融合到GPU未來的軟硬件開發(fā)中。

GPGPU的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于其通用可編程性，對(duì)于層出不窮的新的算法和應(yīng)用，能做到性能和開發(fā)成本間較好的平衡。同時(shí)，基于GPGPU的通用性，客戶可以在類似軟硬件架構(gòu)間的產(chǎn)品間進(jìn)行應(yīng)用的無痛遷移。

在GPGPU領(lǐng)域，NVIDIA無疑是行業(yè)的標(biāo)桿，不僅擁有百萬開發(fā)者支持的CUDA，還在指令集的覆蓋面、顆粒度、效率等維度有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，再考慮到產(chǎn)業(yè)生態(tài)，國(guó)產(chǎn)GPGPU替代還有很長(zhǎng)的路要走。在NVIDIA官網(wǎng)有提到，AI應(yīng)用不僅需要大的內(nèi)存池，也需要CPU和GPU緊密耦合。

對(duì)于這一點(diǎn)，鄒翾認(rèn)為，GPU注重的是同類型的數(shù)據(jù)按照同樣的處理流程進(jìn)行高效并行處理，CPU的優(yōu)勢(shì)是處理復(fù)雜邏輯流程。CPU和GPU在一個(gè)芯片上是可以實(shí)現(xiàn)的，而且以前也存在這種整合性的產(chǎn)品，但是對(duì)于高端的、云端的CPU加上GPU同時(shí)實(shí)現(xiàn)，需要非常大的尺寸規(guī)模，而且會(huì)限制芯片在各自領(lǐng)域的性價(jià)比。

在此，我們嘗試探討發(fā)展國(guó)產(chǎn)自主GPGPU的三種可能性：

第一條道路叫“農(nóng)村包圍城市”。策略是從專用芯片做起，把某一個(gè)小的領(lǐng)域做精做強(qiáng)，占據(jù)一個(gè)山頭，然后再占第二個(gè)、第三個(gè)，形成一個(gè)個(gè)的革命根據(jù)地，逐漸實(shí)現(xiàn)農(nóng)村包圍城市。但也要防止各家企業(yè)在小的山頭上惡性競(jìng)爭(zhēng)乃至自相殘殺，從而忘記了我們真正的歷史使命和遠(yuǎn)大目標(biāo)。經(jīng)常發(fā)生的誤區(qū)是：當(dāng)一個(gè)企業(yè)爬上一座山頂?shù)臅r(shí)候，只顧著欣賞眼前的風(fēng)景而忘記了去征服更高的高山。

第二條道路來自“龜兔賽跑”的啟發(fā)。在歷史上小企業(yè)挑落行業(yè)巨頭的案例也是屢有發(fā)生的，比如說，英特爾的指令集在桌面電腦上一家獨(dú)大，但后來ARM能夠成功挑戰(zhàn)英特爾，就是抓住了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來的歷史機(jī)遇。英特爾在這個(gè)時(shí)候打盹了，并沒有意識(shí)到行業(yè)發(fā)生的深刻變革（再加上幕后推手蘋果公司的推波助瀾）。當(dāng)下人工智能時(shí)代帶來的變革可能還要超越移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，但令人吃驚的是在這個(gè)大變革的時(shí)代，實(shí)際上是兔子跑得比烏龜快?！巴米印本褪怯ミ_(dá)，英偉達(dá)沒有停下前進(jìn)的步伐，沒有犯當(dāng)年英特爾的錯(cuò)誤，至今還保持著當(dāng)年初創(chuàng)企業(yè)的活力，很多行業(yè)突破性的技術(shù)是最先出現(xiàn)在英偉達(dá)的產(chǎn)品上。

兔子跑得快已經(jīng)很棘手，而糟糕的是，我們作為后發(fā)者，國(guó)內(nèi)的芯片人才本來就極為緊缺，但由于資本的驅(qū)動(dòng)，短期內(nèi)催生出很多芯片公司，據(jù)說今年新成立的芯片公司是去年的3倍，而培養(yǎng)的人才不可能一下子成長(zhǎng)這么多。都說要集中優(yōu)勢(shì)兵力才能殲滅強(qiáng)敵，但現(xiàn)狀是，我們把為數(shù)不多的兵力分散到多個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)，從而陷入越打越弱的怪圈。以史為鑒，只有當(dāng)對(duì)手疏忽的時(shí)候，抓住戰(zhàn)機(jī)畢其功于一役才有大的勝算，這往往需要有極大的戰(zhàn)略定力，甚至還需要有些運(yùn)氣。在芯片行業(yè)，千萬要防止一哄而上之后的一哄而散！

第三條道路也是目前我們認(rèn)為最有機(jī)會(huì)的道路，就是開源。靠的是眾人拾柴和愚公移山，要的是細(xì)水長(zhǎng)流，拼的是“天荒地老”。通過開源戰(zhàn)勝?gòu)?qiáng)大的對(duì)手，在軟件生態(tài)方面已經(jīng)戰(zhàn)果累累，在硬件上也已經(jīng)開始顯示威力。我們有理由相信，開源硬件即便不能一統(tǒng)江湖，至少也可以分庭抗禮。

我們認(rèn)為，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)完全有機(jī)會(huì)做一個(gè)開源開放的、免費(fèi)公益的GPGPU項(xiàng)目，目的是打造一個(gè)全棧式的平臺(tái)，提供開源硬件，編譯器、算子庫(kù)等，并且在指令集的設(shè)計(jì)上盡可能接近或者兼容CUDA生態(tài)圈。我們的研究團(tuán)隊(duì)最近攥寫了一本關(guān)于GPGPU體系結(jié)構(gòu)的專用教材，書名是《通用圖形處理器設(shè)計(jì)—GPGPU編程模型和架構(gòu)原理》，預(yù)計(jì)明年初正式出版發(fā)行。同時(shí)希望號(hào)召國(guó)內(nèi)最大的程序員社區(qū)，大家攜起手來，摒棄門戶之見，都來支持國(guó)產(chǎn)自主GPGPU，盡快把這個(gè)生態(tài)做大做強(qiáng)。

通過這些方式，經(jīng)過十年以上的努力，我們堅(jiān)信在這一塊的劣勢(shì)會(huì)逐步得到彌補(bǔ)，逐漸縮小和國(guó)外巨頭之間的差距。