作者：天數智芯首席科學(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(kāi)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(lái)越認識到中國集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)的薄弱，越來(lái)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(lái)談一談GPGPU市場(chǎng)。

縱觀(guān)整個(gè)IT系統，從CPU、操作系統、辦公套件、整機到服務(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(chēng)是通用圖形處理器（General-Purpose computing on Graphics Processing Units）。它是用專(zhuān)門(mén)處理圖形任務(wù)的處理器，執行原本由中央處理器處理（CPU）完成的通用計算任務(wù)。這些通用計算常常與圖形處理沒(méi)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，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(xué)習）模型訓練與推理、高性能計算，它們往往是大數據流應用，這時(shí)，用GPGPU解決這類(lèi)問(wèn)題就比CPU效率更高。雖然目前機器學(xué)習會(huì )有遷移到專(zhuān)用硬件的可能，但在編程模型上GPU是圖靈完備的，且對于用傳統語(yǔ)言編寫(xiě)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)及云數據中心等。其主要應用場(chǎng)景：一是人工智能模型訓練與推理；二是高性能計算。

根據有關(guān)數據預測，到2025年，中國GPGPU芯片板卡的市場(chǎng)規模將達到458億元，是2019年86億元的5倍多，2019年到2025年的年復合增長(cháng)率高達32%。按行業(yè)來(lái)分，互聯(lián)網(wǎng)及云數據中心為228億元，安防與政府數據中心為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(chǎng)景來(lái)分，到2025年的預測數據是，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。

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

GPGPU國產(chǎn)替代的市場(chǎng)呼喚

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

當前，人工智能應用的閘門(mén)打開(kāi)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，根據現有數據，反復訓練，得出一個(gè)模型。將這個(gè)模型部署到業(yè)務(wù)應用中，當對這個(gè)模型輸入一個(gè)新的數據時(shí)，根據模型計算出一個(gè)結果，這一過(guò)程稱(chēng)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(hù)注冊，它想判斷這個(gè)用戶(hù)是正常用戶(hù)，還是競爭對手注冊進(jìn)來(lái)拉人的惡意用戶(hù)。它就可以利用過(guò)去大量的用戶(hù)行為數據，訓練出一個(gè)人工智能模型。這個(gè)模型能夠計算出，什么樣的用戶(hù)行為就有可能是惡意用戶(hù)，從而自動(dòng)地對這些用戶(hù)限制權限，或者交給人工客服來(lái)處理。類(lèi)似的應用特別多，可以訓練機器做很多以前由人工來(lái)完成的事情，例如，安防領(lǐng)域的視頻分析，媒體領(lǐng)域的內容生產(chǎn)、字幕生成、內容審核、分類(lèi)與標簽，醫療健康領(lǐng)域的藥物發(fā)現與探索、醫學(xué)影像自動(dòng)識別、輔助醫療、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(hù)挖掘，客服領(lǐng)域的語(yǔ)音服務(wù)、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(xué)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(dòng)機、航空航天等領(lǐng)域。

面對日益增長(cháng)的需求來(lái)說(shuō)，GPGPU的供應是沒(méi)有很好地滿(mǎn)足的。當前，全球GPGPU市場(chǎng)供應處于一家獨大的局面，價(jià)格昂貴，產(chǎn)品種類(lèi)單一。以中國的云端AI訓練芯片市場(chǎng)為例，最大的供應商市場(chǎng)份額達到90%，其中，某一款產(chǎn)品就占整個(gè)市場(chǎng)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(shù)和實(shí)力，但是客戶(hù)還是需要更多的選擇。例如在2017年，因為人工智能訓練和數字貨幣挖礦的需求猛增，GPGPU供不應求，價(jià)格高漲，一部分用戶(hù)嘗試將原本用作獨立顯卡的消費級GPGPU，替代用于數據中心，但是被供應商在軟件驅動(dòng)上禁用，當時(shí)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)和機構陸續被美國列入禁售實(shí)體名單。這些用戶(hù)除了國產(chǎn)替代，別無(wú)選擇。

GPGPU國產(chǎn)替代如何突圍

看到這里，很多人一定會(huì )問(wèn)。第一位的供應商占據90%的市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)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(lái)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(kāi)發(fā)、進(jìn)出口、人才培養、知識產(chǎn)權、市場(chǎng)應用、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(kāi)放四十多年來(lái)，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在恰逢中國經(jīng)濟實(shí)力增長(cháng)、下決心發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)的良好時(shí)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。

天數智芯就是這樣一家公司。天數智芯的芯片研發(fā)團隊于2018年初組建，數十名創(chuàng )始團隊主要來(lái)自世界知名芯片公司AMD的GPU部門(mén)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(lǐng)域平均積累了近十年經(jīng)驗，可以說(shuō)，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(shí)現批量生產(chǎn)，2021年初商業(yè)化投向市場(chǎng)，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。

天數智芯在芯片設計初始，就與服務(wù)器廠(chǎng)商合作共同對產(chǎn)品設計進(jìn)行定義，以實(shí)現未來(lái)在數據中心中的國產(chǎn)替代。目前，天數智芯已經(jīng)與浪潮、新華三等服務(wù)器廠(chǎng)商簽署戰略合作，共同推動(dòng)服務(wù)器領(lǐng)域人工智能和HPC的計算芯片及硬件解決方案發(fā)展。天數智芯還與國產(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GPGPU+國產(chǎn)CPU的自主可控超算解決方案。

展望未來(lái)，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)應用單位加入我們的征程。

作者簡(jiǎn)介：

鄭金山，上海天數智芯半導體有限公司首席科學(xué)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(zhuān)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(lǐng)上海芯片設計團隊參與過(guò)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器視覺(jué)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(xué)ASIC與系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室，獲微電子與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。