539
隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)步入SoC時(shí)代，設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜。為了加快產(chǎn)品上市時(shí)間，以IP復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和超深亞微米/納米級(jí)設(shè)計(jì)為技術(shù)支撐的SoC已成為當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的主流方向，當(dāng)前國(guó)際上絕大部分SoC都是基于多種不同IP組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，IP在集成電路設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作中已是不可或缺的要素。
同時(shí)隨著先進(jìn)制程的演進(jìn)，線寬的縮小，使得芯片中晶體管的數(shù)量大幅提升，單顆芯片中可集成的IP數(shù)量也大幅增加。根據(jù)IBS報(bào)告，以28nm制程節(jié)點(diǎn)為例，單顆芯片中已可集成的IP數(shù)量為87個(gè)。當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)演進(jìn)到7nm時(shí)，可集成的IP數(shù)量將達(dá)到178個(gè)。
從全球IP市場(chǎng)的發(fā)展情況來(lái)看，根據(jù)IBS數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體IP市場(chǎng)將從2018年的46億美元增至2027 年的101億美元，增長(zhǎng)率高達(dá)120%，年均復(fù)合增速達(dá)9.13％。其中處理器IP市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2027年達(dá)到62.55億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為10.15%。
相對(duì)于其他技術(shù)類型，處理器IP的供應(yīng)商較為集中，Arm一家就占據(jù)整個(gè)IP市場(chǎng)40%以上的市場(chǎng)份額，其他供應(yīng)商已經(jīng)很難在通用MCU市場(chǎng)與其競(jìng)爭(zhēng)，更多集中在GPU、FPGA、DSP等領(lǐng)域，直至近年RISC-V開(kāi)源架構(gòu)以及AI技術(shù)興起，才引入一些新玩家。近日，在Imagination最新旗艦款GPU IP產(chǎn)品——IMG CXT的媒體發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，該公司副總裁、中國(guó)區(qū)總經(jīng)理劉國(guó)軍在談到下一階段的挑戰(zhàn)時(shí)就坦言，“我們有非常強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，他們的商務(wù)戰(zhàn)略，包括打包的方式，以及在中國(guó)的運(yùn)營(yíng)模式，有時(shí)會(huì)給我們帶來(lái)困擾?！?/p>
處理器IP的競(jìng)爭(zhēng)策略
回顧這兩家老牌處理器IP供應(yīng)商的發(fā)展史，Imagination并不是沒(méi)想過(guò)在打包這種商業(yè)模式上與Arm抗衡，包括此前收購(gòu)MIPS業(yè)務(wù)就是一次嘗試，只可惜MIPS市場(chǎng)和生態(tài)的頹勢(shì)已定，無(wú)法幫助Imagination實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略超越，后被出售直至關(guān)閉。
而作為一家處理器IP供應(yīng)商，單一產(chǎn)品模式始終無(wú)法滿足未來(lái)SoC客戶在產(chǎn)品和技術(shù)形態(tài)的發(fā)展需求，也不能錯(cuò)過(guò)SoC產(chǎn)品對(duì)更多異構(gòu)IP內(nèi)核不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
上面也提到通用MCU市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局和發(fā)展態(tài)勢(shì)，因此不難理解在傳統(tǒng)的GPU IP產(chǎn)品之外，Imagination近幾年不斷推出RISC-V架構(gòu)處理器IP、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器NNA以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包處理器EPP等其他IP產(chǎn)品線的戰(zhàn)略考量。
Imagination中國(guó)區(qū)董事長(zhǎng)白農(nóng)就表示，“作為一家處理器公司，我們意識(shí)到，對(duì)于現(xiàn)代SoC中的處理問(wèn)題，并沒(méi)有單一的解決方案，雖然GPU在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出卓越的實(shí)力，但它并不能完美地解決所有問(wèn)題。因此，我們大力投資解決異構(gòu)計(jì)算問(wèn)題，在異構(gòu)計(jì)算中，計(jì)算工作負(fù)載可以分配給最適合執(zhí)行該任務(wù)或部分任務(wù)的處理器。而處理單元的核心三要素是GPU、CPU和特定任務(wù)處理器（如我們的4NX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）。”
以整體解決方案為目標(biāo)，用戶可以調(diào)整所有處理器之間的協(xié)作和效率機(jī)制，以提供最佳的處理解決方案。GPU和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）單元一起工作的例子很多（比如基于AI的圖形圖像后處理，包括降噪或抗鋸齒等），但是如果沒(méi)有高效CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)整體控制流程，GPU和NN單元都無(wú)法工作。“此外RISC-V顯示出巨大的市場(chǎng)潛力，可以部分替代壟斷的Arm處理器體系結(jié)構(gòu)。這就是我們投資RISC-V以及NNA和EPP這類特定處理器的原因?！卑邹r(nóng)如是說(shuō)。
從市場(chǎng)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)生態(tài)角度，隨著智能化在不同終端應(yīng)用領(lǐng)域的不斷升級(jí)，處理器IP的競(jìng)爭(zhēng)也從傳統(tǒng)的桌面、手機(jī)擴(kuò)展到更多應(yīng)用場(chǎng)景。單就GPU IP而言，據(jù)權(quán)威調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020年全球GPU市場(chǎng)規(guī)模達(dá)254.1億美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到1853.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)32.82%。按GPU的行業(yè)應(yīng)用劃分，市場(chǎng)可細(xì)分為電子、IT與電信、國(guó)防與情報(bào)、媒體與娛樂(lè)、汽車及其它。由于GPU在設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的廣泛使用，預(yù)計(jì)汽車細(xì)分行業(yè)的年復(fù)合增長(zhǎng)率最高，同時(shí)，游戲和數(shù)據(jù)中心也是GPU需求增長(zhǎng)較快的細(xì)分市場(chǎng)。
處理器IP供應(yīng)商要保證營(yíng)收的持續(xù)快速增長(zhǎng)并不斷擴(kuò)大市占，這些市場(chǎng)機(jī)會(huì)顯然不容錯(cuò)過(guò)，而我們看到的往往是機(jī)會(huì)很多，這時(shí)選擇不做什么是對(duì)所有決策者最大的考驗(yàn)，決定企業(yè)前途和生死。
Imagination的選擇是發(fā)力四大方向，首先是汽車，在這一領(lǐng)域Imagination已經(jīng)斬獲不俗成績(jī)。“特別是智能駕艙，GPU產(chǎn)品方面我們已經(jīng)占有最高的市場(chǎng)占有率”劉國(guó)軍介紹?！跋乱徊轿覀儠?huì)融合AI、GPU和計(jì)算技術(shù)助力ADAS/AD技術(shù)?！?/p>
其次是移動(dòng)和消費(fèi)終端，這樣領(lǐng)域也是Imagination的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)，劉國(guó)軍提到，“從圖形的處理能力上，業(yè)界有很多的公司都認(rèn)可PowerVR的GPU性能。”
再次為數(shù)據(jù)中心和桌面，這部分屬于Imagination的新興市場(chǎng)，但劉國(guó)軍強(qiáng)調(diào)，“回到25-30年前，Imagination的前身，就是從桌面開(kāi)始做圖形處理，”近年有很多Imagination的合作伙伴看到云游戲、桌面的機(jī)會(huì)，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心和桌面對(duì)GPU有巨大需求，也就需要Imagination的底層IP來(lái)支持他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)從而把握新的機(jī)會(huì)。
最后是計(jì)算，前面也提到，未來(lái)是異構(gòu)計(jì)算SoC的時(shí)代，Imagination顯然想以GPU、CPU、AI、處理器多產(chǎn)品線的技術(shù)和產(chǎn)品布局迎接這個(gè)時(shí)代的到來(lái)。
光線追蹤成GPU IP廠商競(jìng)爭(zhēng)的重要技術(shù)標(biāo)桿？
作為整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的上游供應(yīng)商，不管處理器IP廠商選擇重點(diǎn)關(guān)注的市場(chǎng)和應(yīng)用有何差異，其競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)永遠(yuǎn)是產(chǎn)品的技術(shù)路徑。
因?yàn)樯厦嫣岬紾PU市場(chǎng)在未來(lái)幾年內(nèi)將保持高復(fù)合增長(zhǎng)率，同時(shí)其最大的應(yīng)用場(chǎng)景--游戲跟大眾消費(fèi)者密切相關(guān)，也讓這一領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)格外引人關(guān)注。近些年，“光線追蹤”這個(gè)詞越來(lái)越高頻的出現(xiàn)在各大GPU廠商的技術(shù)和新品發(fā)布會(huì)上，儼然已經(jīng)成為GPU核心性能尤其是圖形展現(xiàn)逼真度的品質(zhì)認(rèn)證。
傳統(tǒng)的GPU都使用光柵化技術(shù)顯示3D物體，對(duì)物體進(jìn)行3D建模，將其分割成若干三角形，三角形的細(xì)粒度很大程度上決定最后的成像質(zhì)量，然后將三角形轉(zhuǎn)換為2D屏幕上的像素點(diǎn)并分配初始顏色值，接下來(lái)進(jìn)行像素處理，基于場(chǎng)景修改像素顏色，并將紋理應(yīng)用于像素，從而生成像素的最終顏色。
光線追蹤與光柵化的實(shí)現(xiàn)原理不同，它最早由IBM的Arthur Appel于1969年在“Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids”中提出，光線追蹤通過(guò)從觀察點(diǎn)對(duì)每一個(gè)像素發(fā)射一條光線并找到在世界場(chǎng)景中阻擋光線路徑的最近物體來(lái)渲染場(chǎng)景，光線有兩種，第一種是視者發(fā)射的光線，來(lái)尋找場(chǎng)景中的交點(diǎn)，另一種是從交點(diǎn)發(fā)到燈光的陰影射線，看自身是否是處于陰影當(dāng)中，光線追蹤的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是能夠處理不平整的表面和固體。
光線追蹤對(duì)于反射和陰影有著更逼真的處理效果，盡管目前仍然是采用光線追蹤和傳統(tǒng)光柵圖形處理相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行圖形渲染，但其效果已經(jīng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光柵圖形處理，對(duì)于游戲、電影等追求逼真光影效果的應(yīng)用，光線追蹤能提供電影級(jí)畫(huà)質(zhì)的實(shí)時(shí)渲染，帶來(lái)視覺(jué)效果上質(zhì)的飛躍。
而自1969年概念誕生起，直到2018年實(shí)時(shí)光線追蹤光線技術(shù)開(kāi)始落地，阻礙這一技術(shù)發(fā)展的最大缺點(diǎn)就是性能，它需要的計(jì)算量非常巨大。傳統(tǒng)的光柵圖形學(xué)中的算法，利用了數(shù)據(jù)的一致性從而在像素之間共享計(jì)算，但是光線跟蹤通常是將每條光線當(dāng)作獨(dú)立的光線，每次都要重新計(jì)算，也導(dǎo)致硬件的功耗很難控制。
雖然目前市面上宣稱具備光線追蹤能力的GPU產(chǎn)品很多，但在Imagination看來(lái)，大多數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還停留在軟件層面，用Imagination在2020年9月發(fā)布的光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System）來(lái)評(píng)估只是在Level 1的水平。
Imagination在2020年發(fā)布的光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)
圖源 Imagination
而Imagination最新發(fā)布的面向移動(dòng)端應(yīng)用的IMG CXT系列GPU IP已達(dá)到Level 4等級(jí)。Imagination中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)與生態(tài)副總時(shí)昕博士表示，“Imagination在光線追蹤方面投入大概有10年左右的歷史了，在2014年的時(shí)候就有一款測(cè)試的芯片，采用 28nm工藝，功耗在個(gè)位數(shù)。但當(dāng)時(shí)整個(gè)生態(tài)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，當(dāng)時(shí)的圖形API標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有關(guān)于光線追蹤的部分，包括相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具軟件、游戲引擎等等也沒(méi)有光線追蹤的功能。但是從2012年開(kāi)始，我們看到整個(gè)業(yè)界生態(tài)都開(kāi)始在投入，我們認(rèn)為這個(gè)時(shí)候是和合作伙伴一起推出具有光線追蹤功能的芯片的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來(lái)了?！?/p>
IMG CXT系列首款產(chǎn)品CXT RT3在單核和多核條件下的性能表現(xiàn)
圖源 Imagination
至于產(chǎn)品的功耗表現(xiàn)，Imagination技術(shù)前瞻副總裁Kristof Beets介紹，“在復(fù)雜場(chǎng)景下，要靠著色器去完成對(duì)于場(chǎng)景的渲染，所要消耗的資源、功耗非常大，我們現(xiàn)在把這部分工作從原有的著色器分流到了專門(mén)的光線追蹤硬件部分來(lái)完成，從而讓效率得到極大提升?！边@也是為什么Imagination認(rèn)為其IMG CXT系列可以給移動(dòng)端產(chǎn)品和應(yīng)用提供更好的性能表現(xiàn)的原因。
據(jù)官方介紹，目前IMG CXT系列已經(jīng)向多家芯片商授權(quán)，硬件開(kāi)發(fā)，加之軟件、內(nèi)容源等生態(tài)的配合，預(yù)計(jì)到2023年消費(fèi)者可以在市場(chǎng)上看到相關(guān)終端產(chǎn)品，體驗(yàn)到實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)給手游等內(nèi)容帶來(lái)的更加真實(shí)的圖形展現(xiàn)。
