PU（Graphic Processing Unit）即圖形處理器，是數字世界圖形內容生成的基石，不管是桌面應用、游戲、電影、數字孿生還是元宇宙；與此同時，強大的并行計算能力業(yè)已成為各種應用加速的主流手段，正廣泛應用于科學計算和人工智能。然而，我國GPU芯片基本全部依賴進口。隨著美國不斷加碼限制英偉達、AMD向我國供應高端GPU芯片，我國進口GPU也受到極大的限制。這些多重因素，更加促使國產GPU企業(yè)奮起直追。
6月15日，國產自主GPU架構“天狼星”鑒定及發(fā)布會在北京舉辦。
GPU架構“天狼星”出世
GPU架構“天狼星”由國內企業(yè)中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，簡稱中天恒星/ATS）自主研發(fā)。
中天恒星研發(fā)團隊由卡內基梅隆大學電子與計算機工程博士、清華大學軟件學院、微電子學研究所副教授、NVIDIA合作教授鄧仰東博士率領。鄧博士是GPU通用計算最早研究人員之一，被譽為“GPU通用計算先行者”。鄧博士長期從事圖形處理器體系結構、并行計算研究和芯片產品開發(fā)工作；曾設計出全球第一個基于FPGA的GPU仿真平臺；研究成果在ISCA、MICRO、等頂級會議和期刊發(fā)表。鄧博士撰寫多部教材和專著，其中《數字集成系統的結構化設計與高層次綜合》入選清華大學及多所大學研究生教材，《異構處理器OpenCL編程導論》是國內GPU異構計算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三維集成電路的第一部專著。
“天狼星”GPU架構有幾大亮點：一是具有3D圖形引擎+2D圖形加速+視頻引擎。二是自主可控/靈活優(yōu)化的指令集和VLIW/SIMD機器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/靈活優(yōu)化的指令集，保證GPU芯片迭代的軟件兼容。三是SIMT計算框架，充分利用圖形應用的數據并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。四是支持物理真實渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA'14.15)。五是ShaderCore(Graphics ProcessingCluster)，包括SIMT獨立指令執(zhí)行單元、以32位浮點ALU為基礎的統一圖形架構(ICCD13)以及集成寄存器堆、紋理/數據緩存。六是延遲聚集式全局線程調度技術(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。七是具有良好性能伸縮性的片上互聯架構(MICRO'20、TPDS’21)。
此次發(fā)布的天狼星的主要有三個技術優(yōu)勢：第一、面向億級訂單市場，以獨立顯卡GPU芯片主流產品為突破口，瞄準需求廣闊、增長強勁的億級剛需市場，突出性價比優(yōu)勢；第二、擁有完全自主知識產權，以清華大學超過10年研究基礎為依托的自研核心架構，確保產品迭代自主可控。以基礎理論研究為基礎，從數學公式推導開始，從架構設計、算法模型、原理驗證、硬件實現、驅動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設計。核心架構完整知識產權，已申請專利和著作權數百項，數十項已獲授權；相關研究成果發(fā)表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊；第三、完備的交付能力，上下游產業(yè)鏈準備充分，確保產品量產自主可控；芯片設計完成全面驗證，確保流片成功；軟硬件接口符合國際標準，確保芯片裝機即可使用，包括操作系統認證：Windows WHQL；API認證：Open GL Conformance Test；外圍接口認證：HDMI DP CTS；專業(yè)測試認證：PHYlayer和LIINK layer；質量體系認證：顯卡3C認證（中國）、 日本VCCI 、歐盟CE、美國FCC。
得到業(yè)界專家高度認可
當前,Imagination和Vivante兩家公司是主要IP來源，這些IP主要是針對移動應用的GPU內核，不適合桌面應用。此外，購買第三方的IP，難以形成成熟的圖形顯卡級GPU，核心電路專利無法自控和自主迭代。
中天恒星聯合創(chuàng)始人、總架構師鄧仰東博士表示：“很多國產的GPU的IP授權主要購買的第三方。中天恒星的路線有所不同，核心的圖形引擎完全自主設計的，所以3D圖形引擎這塊不涉及到別人的知識產權，也沒有IP的問題，全部是我們自己擁有，從0到完整架構的實現，都是我們自主的技術。”
自研GPU架構存在極高的技術挑戰(zhàn)。鄧仰東分析指出：“GPU設計有幾個地方非常復雜：一個是架構級的設計，這其實是個統籌的藝術。GPU本身的資源，在所謂的uni版的shader，所有的計算資源是一樣的，大家都用32比特或者64比特的浮點運算單元，這是一個配合的問題。有很多個核共享L2的cash，然后每個核內有自身的計算單元，還有通往片外的各種通道，實際上片上還有一些針對圖形的，比如像紋理的緩存；這些雖然很容易知道是什么樣的模塊，難的是如何配合起來實現整體性能最優(yōu)。換言之，如何通過統籌協調，能夠適應絕大多數圖形應用。在大多數情況下，均衡的設計保持性能每秒至少30幀，這是一個極具挑戰(zhàn)的地方。二是，架構仿真的時間非常長，需要經驗也需要直覺，去找出架構問題到底出在哪里。這方面也是一個很大的挑戰(zhàn)，需要有多年的積累才能去做這件事。”
克服重重考驗終將“亮劍”
依托研發(fā)團隊多年研究成果，中天恒星從數學公式推導開始，架構設計、算法模型、原理驗證、硬件實現和驅動開發(fā)等環(huán)節(jié)全部正向設計，核心IP完全自主可控，擁有圖形GPU完整知識產權，并已申請專利和著作權數百項，其中25項已獲授權，相關研究成果發(fā)表在ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等頂級會議和期刊。
2019年，第一代“天狼星”架構芯片設計驗證完成。2021年，第一代“天狼星”架構GPU誕生；2022年，定義第二代GPU架構“大角星”；2023年，第一代“天狼星”架構GPU實現量產。
GPU架構取名為“天狼星”有著獨特的寓意，中天恒星創(chuàng)始人黃永博士指出：“我們的架構全部是以恒星來命名的。Stellar是恒星、星宿、星座的意思，引申出來有超一流、卓越的含義。第二代架構命名為大角星；大角星是第二亮的恒星。只是因為距離地球更遠，所以看起來沒有天狼星亮；實際上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太陽的110倍。”
據悉，2024年，中天恒星會繼續(xù)優(yōu)化基于“天狼星”架構的GPU。2025年，將量產第二代GPU架構“大角星”。
國產自研“天狼星”GPU架構的推出，無疑推動國產GPU芯片朝前邁出一個新的高度。
當前,美國對中國的科技打壓仍在繼續(xù)，對中國限制供應高端GPU芯片的打壓不會減弱。國內的國產替代處在深入推進期，國內下游應用市場采購國內自主可控的芯片的自主性和迫切性更強，這進一步激發(fā)中國企業(yè)自研GPU芯片的熱情，為國產GPU的發(fā)展提供了巨大的助力。
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很多公司都在嘗試生產搭載Windows10系統的迷你PC，滿足現代人忙碌的需求。Ockel就是這樣一個公司，它正在開發(fā)一臺可以運行完整Windows10系統，同時又能放在你掌上的迷你電腦。這個有趣的產品，命名為Ockel天狼星A。目前已經募資成功計劃在2017年5月正式上市。
Ockel宣稱天狼星A是功能最完整的迷你PC，并且小到可以裝進你的口袋里。并且天狼星A具備一個6英寸的全高清觸摸屏，足以滿足你的游戲、社交和辦公續(xù)期。設備運行的是64位Windows系統，與現有的全部Windows程序兼容。
以下是Ockel天狼星A的配置表：
?系統:64位Windows 10家庭版
?處理器:英特爾Atom x7-8750 4核(1.6GHz睿頻到2.56GHz)
?運行內存: 4GB LPDDR3-1600
?顯示屏: 6英寸全高清(1920x1080), 4K和UHD支持
?尺寸: 85mm x 150mm x 6mm -120mm
?核心顯卡: Intel HD
?存儲: 64GB eMMC, microSDXC卡槽(最高支持2TB)
?接口: 2個USB 3.0, 1個USB Type-C, HDMI, 以太網接口, 3.5mm 耳機孔, 電源接口(12V/3A)
?無線網: 英特爾Dual Band Wireless-AC 3165, 802.11a/b/g/n/ac, 藍牙4.2
?電池: 3000 mAh鋰聚合物(長達四小時視頻播放), 36W適配器
?傳感器:加速度計、陀螺儀、磁強計
?集成:前置攝像頭、揚聲器、麥克風
Ockel公司還與微軟深度合作開發(fā)獨家功能，例如"switch mode"——當用戶連接到另外一個顯示器，天狼星A就會自動切換成一個輸入設備，你可以把它當做鼠標或鍵盤使用。
此外,該公司聲稱這臺迷你PC運行的時候是處于絕對安靜的狀態(tài)，因為它并不具備散熱風扇而是通過一個“散熱器”來消除多余的熱量。Ockel 其團隊擁有大量研發(fā)經驗，其中包括激光電腦的創(chuàng)始人Paul Pardon, 一個在計算機行業(yè)擁有超過30年的經驗的人。同時微軟公司也提供了Windows10的大量技術支持。
去年Ockel公司還在Indiegogo成功募集到了研發(fā)天狼星B和天狼星B黑櫻桃的研發(fā)資金。兩天募集了10萬美金，目前天狼星Ａ已經可以開始預訂，主機＋128GB存儲卡的預售價格為559美元（約合3760元）。并且計劃推出更多預定福利，以便吸引更多的初期支持者。
該公司計劃在2017年5月正式開始銷售該設備，擁有Moon Silver（月球銀色）, Meteor Grey（流星灰色）和Venus Gold（金星金色）三色可選。