過去50余年，芯片制程迭代沿著摩爾定律滾滾向前，并持續(xù)增強著芯片的算力與性能。現(xiàn)如今，無論是在SoC上集成越來越多的功能模塊，又或是利用chiplet技術(shù)在先進制程下進一步提升芯片集成度，都充分展現(xiàn)了芯片性能、功耗和成本的改進不能僅僅依賴于制程的升級，而需從不同的維度拓展創(chuàng)新來延續(xù)摩爾定律的“經(jīng)濟效益”。這導(dǎo)致芯片設(shè)計變得越來越困難，IP的作用也愈加凸顯，逐漸成為企業(yè)尋求設(shè)計差異化道路上的“秘鑰”。
日前，在深圳舉辦的第10屆EEVIA年度中國硬科技媒體論壇暨產(chǎn)業(yè)鏈研創(chuàng)趨勢展望研討會上，Imagination產(chǎn)品市場高級經(jīng)理黃音在演講中表示，半導(dǎo)體行業(yè)對高性能SoC 需求的增長提振了IP技術(shù)市場，作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體IP供應(yīng)商，Imagination正緊隨市場發(fā)展趨勢，持續(xù)進行技術(shù)創(chuàng)新，其核心領(lǐng)域的IP技術(shù)演變折射了未來一些熱門應(yīng)用顯著的需求變化。
Imagination產(chǎn)品市場高級經(jīng)理黃音在論壇上介紹Imagination IP技術(shù)如何賦能未來硬核科技創(chuàng)新
“倒金字塔”讓IP供應(yīng)商的價值重新被審視
隨著服務(wù)器市場蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與AIoT應(yīng)用普及落地，5G+人工智能等技術(shù)賦能經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型，黃音表示IP也像蝴蝶一樣，從卵、幼蟲到蝶變的過程反映了應(yīng)用市場需求的這種變化，并推動技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的半導(dǎo)體廠商開始考慮借助外力，例如專業(yè)的IP公司在某一個領(lǐng)域提供完整的技術(shù)服務(wù)，從而降低成本并節(jié)省產(chǎn)品進入市場的時間。
IP作為經(jīng)驗證可復(fù)用的芯片設(shè)計模塊，從市場價值來看，其全球市場規(guī)模約為50億美元，但卻撬動著6000億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷演進，并賦能1.4萬億的電子信息制造業(yè)持續(xù)發(fā)展。黃音補充道：“據(jù)lPnest數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在年均600多億美元的全球芯片研發(fā)開支中，IP研發(fā)投入只占6%約36億，但其價值和影響力卻遠遠超出用金錢衡量的份額。IP作為整個半導(dǎo)體上游產(chǎn)業(yè)鏈里的核心，每一元芯片能撐起200多元的社會經(jīng)濟，而每一元IP能支持20000元的社會經(jīng)濟價值。”
數(shù)十億美元的IP行業(yè)支撐著數(shù)千億美元的半導(dǎo)體行業(yè)
為何小小的IP，卻如此重要。芯片巨頭公司擁有足夠的技術(shù)、人才和資金儲備，能夠面向巨大市場的挑戰(zhàn)，而中小型公司及創(chuàng)業(yè)公司，在資源的約束下只能專注于某些細分市場。但無論公司的體量是大是小，都面臨著激烈的市場競爭，都希望形成技術(shù)壁壘和強大的生態(tài)系統(tǒng)以更好地生存。而在近乎無限的科技海洋中，沒有任何一家公司能精通一切。而IP廠商們能夠以某個領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)能力和經(jīng)驗，提供部分核心技術(shù)的成熟產(chǎn)品，協(xié)助芯片設(shè)計公司和系統(tǒng)廠商，加快技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化周期，提升靈活性和市場反應(yīng)速度，降低了研發(fā)風(fēng)險、運營成本，加速產(chǎn)品上市和增加利潤，幫助企業(yè)專注于自身核心競爭力的發(fā)展，也是其實現(xiàn)差異化的關(guān)鍵競爭要素之一。
“Imagination技術(shù)創(chuàng)新始終聚焦于功能的豐富和面積、性能與功耗優(yōu)化，并致力于實現(xiàn)最佳的能效比，為客戶創(chuàng)造不可復(fù)制的核心價值。”黃音進一步說到，“對于IP廠商來說，PPA的三個維度都是重點考量的標準，而Imagination的IP產(chǎn)品通過合理調(diào)整三個維度的占比，來完成對不同市場的適應(yīng)能力，目前已在手機、PC、平板、汽車、桌面服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。”
追求最佳PPA，30多年技術(shù)積淀賦能獨特的GPU IP創(chuàng)新
從市場發(fā)展趨勢來看，隨著數(shù)據(jù)中心服務(wù)器規(guī)模不斷擴大，靈活性與可擴展性正驅(qū)動IP核供應(yīng)商的技術(shù)演變，而功耗、帶寬與安全性是芯片設(shè)計繞不過的坎兒，針對這些需求如何在技術(shù)層面進行創(chuàng)新則是整個行業(yè)關(guān)注的焦點。黃音在演講中自信表示Imagination基于在 GPU IP領(lǐng)域三十多年的經(jīng)驗技術(shù)積累，以多項獨有的專利和核心技術(shù)構(gòu)筑了行業(yè)領(lǐng)先的價值壁壘。
靈活可擴展的GPU硬件架構(gòu)技術(shù)
Imagination的GPU硬件架構(gòu)，有非常好的靈活性和延展性，根據(jù)不同的市場和產(chǎn)品需求，單核GPU可以配置為從1PPC、2PPC直到64PPC等不同規(guī)格，根據(jù)低、中、高不同需求可進行多個不同圖像處理能力、浮點運算能力的搭配。如果需要更大規(guī)模的配置，還可以進一步提供松耦合的多核架構(gòu)，甚至是幾個多核單元的聯(lián)合架構(gòu)，以滿足超高性能超大算力的PC、服務(wù)器等產(chǎn)品需求。
Imagination的松耦合多核架構(gòu)技術(shù)，能在單個芯片內(nèi)靈活地切換模式，比如在需要高性能時可以作為單GPU多核協(xié)同工作，進行聯(lián)合渲染和計算；在需要并行的計算多個不同業(yè)務(wù)時，可以作為多個單核GPU分別獨立工作，互不干擾，非常實用。而這個松耦合的技術(shù)，甚至可以延展到多顆芯片之間，把一個多核GPU，合理分布到不同的芯片die上，再通過chiplet技術(shù)，使它們重新連接起來，能實現(xiàn)與單芯片一樣的靈活的模式切換，既能多核聯(lián)合渲染和計算，又能分別獨立工作。在當今瞬息萬變的市場環(huán)境下，這種技術(shù)給芯片設(shè)計公司提供了不需要重新流片就擁有的高靈活性和高擴展性，可以應(yīng)對市場需求靈活轉(zhuǎn)身。
分塊延遲渲染技術(shù)（TBDR）
在GPU的渲染技術(shù)上，與桌面GPU通常使用的立即渲染模式不同，Imagination業(yè)內(nèi)最早提出并采用了分塊延遲渲染（Tile-based Deferred Rendering，TBDR）技術(shù)，在頂點著色和光柵化之后加入了延遲環(huán)節(jié)，充分利用系統(tǒng)內(nèi)存并通過只渲染可見的像素片段，放棄被覆蓋或被遮擋的像素片段來大幅提高整體效率，提供更高渲染性能的同時對帶寬和功耗的要求更低。TBDR技術(shù)，在帶寬有效利用、工作負載高效分配和處理上，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，這是其獨到之處。
Imagination的分塊延遲渲染（TBDR）技術(shù)
IMGIC壓縮技術(shù)
為節(jié)省帶寬，目前業(yè)內(nèi)SoC芯片大多采用硬件壓縮技術(shù)，據(jù)黃音介紹，IMGIC壓縮技術(shù)可以同時支持像素完全無損壓縮和有損壓縮，有損壓縮支持四種壓縮等級，包括壓縮率分別為75%（質(zhì)量接近完美）、50%（視覺無損）、37.5%（一定損失）、25%（最節(jié)省帶寬）的有損壓縮。無損壓縮之后，與原圖沒有差別，還能節(jié)省平均50%左右的帶寬。有損壓縮，則能根據(jù)配置的壓縮等級，同時將帶寬、圖片存儲尺寸壓縮到指定比例，進行有效節(jié)省，且在大部分情況下，肉眼很難察覺出壓縮后的圖片差異。
GPU硬件虛擬化
值得一提是，Imagination還是業(yè)界第一家實現(xiàn)GPU硬件虛擬化IP授權(quán)的公司，并已廣泛應(yīng)用于眾多車型中。黃音解釋道在汽車應(yīng)用中，利用硬件虛擬化技術(shù)，OEM廠商可以實現(xiàn)服務(wù)與應(yīng)用程序的完全隔離，以確保在系統(tǒng)被入侵或數(shù)據(jù)毀損的情況下仍能保持安全。GPU硬件虛擬化解決方案可最多同時支持八個各自獨立的容器以運行應(yīng)用程序或服務(wù)，汽車 OEM 廠商能任意部署并移除服務(wù)和應(yīng)用，完全不會影響其他同時運行的容器中的服務(wù)和應(yīng)用。除了隔離，硬件虛擬化技術(shù)還支持對多個汽車OS和應(yīng)用之間，靈活地調(diào)整業(yè)務(wù)優(yōu)先級和分配GPU性能，節(jié)省軟硬件成本。
基于固件的GPU
此外在許多架構(gòu)中，硬件圖形事件是由圖形驅(qū)動程序在CPU上處理的，但Imagination首創(chuàng)的基于固件的GPU能夠在內(nèi)部以超低延遲處理大多數(shù)圖形事件，這種方法還減少了圖形驅(qū)動程序的主機CPU開銷，并提供了大量有益的額外特性，例如在GPU出錯的時候，采集全部的數(shù)據(jù)日志進行錯誤分析，通過GPIO連接外部的攝像頭或壓縮解壓縮的設(shè)備進行功耗的控制等。
“得益于諸如此類獨有的核心技術(shù)，Imagination王牌IP核產(chǎn)品PowerVR GPU誕生30年，為3D、2D圖形及高性能GPU計算提供了行業(yè)領(lǐng)先的高效靈活解決方案。”黃音進一步補充道，“2019年，Imagination的GPU架構(gòu)有了很大的升級，推出了A系列AXT GPU，作為Imagination的第十代核，相較于第九代性能密度比提高了2.5倍，擁有更完善的運算邏輯單元，提高了紋理處理的能力，能夠配置Cache Size，而且優(yōu)化了壓縮算法；2020年，推出B系列BXT GPU產(chǎn)品開始支持多核技術(shù)，并且在算力上進行了優(yōu)化，在微架構(gòu)上進行了微調(diào)；2021年，推出的C系列CXT GPU增加了光線追蹤（RAC）的核可以做到硬件光追加速，以滿足不同的產(chǎn)品需求。"
從2019年到2022年，Imagination 陸續(xù)推出性能強大的GPU IP系列
構(gòu)建算力新生態(tài)，迎接異構(gòu)計算機遇與挑戰(zhàn)
過去的50年是算法和算力發(fā)展的50年，計算的創(chuàng)新和演進聚焦于可擴展性、靈活性、效能、效率以及可編程性上。而當數(shù)據(jù)大爆發(fā)帶來了AI計算的需求，包括SoC設(shè)計公司在內(nèi)的芯片公司，都在追求更高性能、更低功耗、更節(jié)省帶寬的方案，異構(gòu)計算便是必由之路。這需要在硬件和SoC整體設(shè)計上采用異構(gòu)解決方案，把不同類型的核進行集成，如CPU、GPU、NPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元等進行疊加，對數(shù)據(jù)進行專業(yè)分工和更先進的處理。
針對異構(gòu)計算的趨勢，據(jù)黃音介紹，Imagination將從多個方向進行創(chuàng)新。首先GPU將持續(xù)在多核架構(gòu)上演進、在性能跟功耗上優(yōu)化。黃音指出：“Imagination的GPU架構(gòu)支持16和32位浮點運算（FLOAT Operation），以及INT 8/16/32定點運算，而紋理處理單元、反扭曲處理、基礎(chǔ)過濾、結(jié)合著色器做更加復(fù)雜的過濾……這些都能通過GPU里的不同運算器來實現(xiàn)。” 從A系列開始，PowerVR GPU使用了全新的算術(shù)邏輯單元（ALU）架構(gòu)、調(diào)度更簡單的引擎，可以在相同的芯片面積和功耗預(yù)算中使用更多的通道，完全擁抱大規(guī)模線程級并行的設(shè)計趨勢，并簡化編譯器工作，從而獲得更高的利用率和效率。
Imagination針對異構(gòu)計算在IP架構(gòu)上的創(chuàng)新技術(shù)
Imagination也擁有業(yè)界領(lǐng)先的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器NNA，采用全硬化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速方法學(xué)，達到業(yè)界領(lǐng)先的PPA。作為異構(gòu)計算的主力和最高效的部分，NNA擁有著相比CPU和GPU更大的算力和更高的算力密度，承載著大部分的計算任務(wù)。
不僅如此，在2021年底 Imagination 宣布推出全新RISC-V CPU核Catapult，作為對GPU和NNA的有效補充，CPU發(fā)揮其在控制流和靈活性上的優(yōu)勢，高效地控制和調(diào)度好GPU和NNA進行計算，同時也在整體上高效地查漏補缺，是異構(gòu)計算中不可或缺的一環(huán)。
其次，在軟件與系統(tǒng)層面，Imagination為異構(gòu)計算提供了統(tǒng)一、開放并且標準的工具鏈，支持標準的framework操作，同時為了消除數(shù)據(jù)瓶頸，對存儲、安全進行了創(chuàng)新性優(yōu)化，使開發(fā)者可以快速靈活地把他們的應(yīng)用部署在異構(gòu)計算架構(gòu)上。在整個工具鏈中，無論是從編譯準備還是到設(shè)備端實現(xiàn)異構(gòu)運算，Imagination為開發(fā)者提供了豐富的部署和優(yōu)化功能，包括可以幫助開發(fā)者確定量化策略，滿足符合其應(yīng)用性能和精度的要求，并最大程度將靈活性留給開發(fā)者。
異構(gòu)計算具體到應(yīng)用層面，黃音表示在汽車行業(yè)Imagination與芯片廠商、Tier-1廠商合作以及OEM廠商積極展開生態(tài)合作，提供IP整體解決方案，重塑與車輛的交互方式。目前Imagination也是汽車行業(yè)最大的GPU IP供應(yīng)商，在駕艙領(lǐng)域擁有約51%的市場份額。
在游戲、VR/AR等應(yīng)用中，硬件實時光線追蹤技術(shù)是Imagination最早提出來并實現(xiàn)的。光線追蹤可以在不同的性能和效率等級下實現(xiàn)，為了明確這一點，Imagination 建立了光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS），確定了從Level 0到Level 5共6個等級的光線追蹤功能的要求。IMG CXT采用的Photon架構(gòu)處于RTLS的4級（Level 4），這是當前可用的最先進的硬件光線追蹤技術(shù)，應(yīng)用在移動端可為移動游戲玩家和開發(fā)者提供實時硬件光線追蹤和桌面級質(zhì)量的體驗。
邁入真正的智能時代，數(shù)字化技術(shù)成為剛需，這離不開芯片的加持，無論是移動設(shè)備、汽車和電器等數(shù)字消費應(yīng)用，還是數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，都需要越來越多利用先進的IP技術(shù)賦能。黃音展望道：“成立30多年來，Imagination一直致力提供高性能IP產(chǎn)品與解決方案，而Imagination在技術(shù)上的領(lǐng)先既被市場驅(qū)動，也引領(lǐng)市場發(fā)展，未來Imagination同樣將緊隨市場脈絡(luò)，提高IP核的可擴展性、靈活性和效率，并通過創(chuàng)建強大的異構(gòu)計算解決方案，在移動、汽車、桌面和數(shù)據(jù)中心等多元化市場中發(fā)掘軟件、數(shù)據(jù)和服務(wù)的價值。”
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