545
隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計步入SoC時代，設(shè)計變得日益復(fù)雜。為了加快產(chǎn)品上市時間，以IP復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計和超深亞微米/納米級設(shè)計為技術(shù)支撐的SoC已成為當今超大規(guī)模集成電路的主流方向，當前國際上絕大部分SoC都是基于多種不同IP組合進行設(shè)計，IP在集成電路設(shè)計與開發(fā)工作中已是不可或缺的要素。
同時隨著先進制程的演進，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報告，以28nm制程節(jié)點為例，單顆芯片中已可集成的IP數(shù)量為87個。當制程節(jié)點演進到7nm時，可集成的IP數(shù)量將達到178個。
從全球IP市場的發(fā)展情況來看，根據(jù)IBS數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計全球半導(dǎo)體IP市場將從2018年的46億美元增至2027 年的101億美元，增長率高達120%，年均復(fù)合增速達9.13％。其中處理器IP市場預(yù)計在2027年達到62.55億美元，年復(fù)合增長率為10.15%。
相對于其他技術(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IP市場40%以上的市場份額，其他供應(yīng)商已經(jīng)很難在通用MCU市場與其競爭，更多集中在GPU、FPGA、DSP等領(lǐng)域，直至近年RISC-V開源架構(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)布會現(xiàn)場，該公司副總裁、中國區(qū)總經(jīng)理劉國軍在談到下一階段的挑戰(zhàn)時就坦言，“我們有非常強大的競爭對手，他們的商務(wù)戰(zhàn)略，包括打包的方式，以及在中國的運營模式，有時會給我們帶來困擾。”
處理器IP的競爭策略
回顧這兩家老牌處理器IP供應(yīng)商的發(fā)展史，Imagination并不是沒想過在打包這種商業(yè)模式上與Arm抗衡，包括此前收購MIPS業(yè)務(wù)就是一次嘗試，只可惜MIPS市場和生態(tài)的頹勢已定，無法幫助Imagination實現(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)品模式始終無法滿足未來SoC客戶在產(chǎn)品和技術(shù)形態(tài)的發(fā)展需求，也不能錯過SoC產(chǎn)品對更多異構(gòu)IP內(nèi)核不斷增長的市場機會。
上面也提到通用MCU市場的競爭格局和發(fā)展態(tài)勢，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中國區(qū)董事長白農(nóng)就表示，“作為一家處理器公司，我們意識到，對于現(xiàn)代SoC中的處理問題，并沒有單一的解決方案，雖然GPU在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出卓越的實力，但它并不能完美地解決所有問題。因此，我們大力投資解決異構(gòu)計算問題，在異構(gòu)計算中，計算工作負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）?！?/p>
以整體解決方案為目標，用戶可以調(diào)整所有處理器之間的協(xié)作和效率機制，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），但是如果沒有高效CPU來實現(xiàn)整體控制流程，GPU和NN單元都無法工作。“此外RISC-V顯示出巨大的市場潛力，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。
從市場應(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，處理器IP的競爭也從傳統(tǒng)的桌面、手機擴展到更多應(yīng)用場景。單就GPU IP而言，據(jù)權(quán)威調(diào)研機構(gòu)預(yù)測，2020年全球GPU市場規(guī)模達254.1億美元，預(yù)計2027年將達到1853.1億美元，年復(fù)合增長率高達32.82%。按GPU的行業(yè)應(yīng)用劃分，市場可細分為電子、IT與電信、國防與情報、媒體與娛樂、汽車及其它。由于GPU在設(shè)計和工程應(yīng)用中的廣泛使用，預(yù)計汽車細分行業(yè)的年復(fù)合增長率最高，同時，游戲和數(shù)據(jù)中心也是GPU需求增長較快的細分市場。
處理器IP供應(yīng)商要保證營收的持續(xù)快速增長并不斷擴大市占，這些市場機會顯然不容錯過，而我們看到的往往是機會很多，這時選擇不做什么是對所有決策者最大的考驗，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。“特別是智能駕艙，GPU產(chǎn)品方面我們已經(jīng)占有最高的市場占有率”劉國軍介紹?！跋乱徊轿覀儠诤螦I、GPU和計算技術(shù)助力ADAS/AD技術(shù)。”
其次是移動和消費終端，這樣領(lǐng)域也是Imagination的傳統(tǒng)優(yōu)勢市場，劉國軍提到，“從圖形的處理能力上，業(yè)界有很多的公司都認可PowerVR的GPU性能?！?/p>
再次為數(shù)據(jù)中心和桌面，這部分屬于Imagination的新興市場，但劉國軍強調(diào)，“回到25-30年前，Imagination的前身，就是從桌面開始做圖形處理，”近年有很多Imagination的合作伙伴看到云游戲、桌面的機會，因為數(shù)據(jù)中心和桌面對GPU有巨大需求，也就需要Imagination的底層IP來支持他們在這個領(lǐng)域的競爭從而把握新的機會。
最后是計算，前面也提到，未來是異構(gòu)計算SoC的時代，Imagination顯然想以GPU、CPU、AI、處理器多產(chǎn)品線的技術(shù)和產(chǎn)品布局迎接這個時代的到來。
光線追蹤成GPU IP廠商競爭的重要技術(shù)標桿？
作為整個芯片產(chǎn)業(yè)的上游供應(yīng)商，不管處理器IP廠商選擇重點關(guān)注的市場和應(yīng)用有何差異，其競爭的基礎(chǔ)永遠是產(chǎn)品的技術(shù)路徑。
因為上面提到GPU市場在未來幾年內(nèi)將保持高復(fù)合增長率，同時其最大的應(yīng)用場景--游戲跟大眾消費者密切相關(guān)，也讓這一領(lǐng)域的技術(shù)演進格外引人關(guān)注。近些年，“光線追蹤”這個詞越來越高頻的出現(xiàn)在各大GPU廠商的技術(shù)和新品發(fā)布會上，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)認證。
傳統(tǒng)的GPU都使用光柵化技術(shù)顯示3D物體，對物體進行3D建模，將其分割成若干三角形，三角形的細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屏幕上的像素點并分配初始顏色值，接下來進行像素處理，基于場景修改像素顏色，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，光線追蹤通過從觀察點對每一個像素發(fā)射一條光線并找到在世界場景中阻擋光線路徑的最近物體來渲染場景，光線有兩種，第一種是視者發(fā)射的光線，來尋找場景中的交點，另一種是從交點發(fā)到燈光的陰影射線，看自身是否是處于陰影當中，光線追蹤的一個顯著優(yōu)點是能夠處理不平整的表面和固體。
光線追蹤對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)合的方式來進行圖形渲染，但其效果已經(jīng)遠超傳統(tǒng)光柵圖形處理，對于游戲、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畫質(zhì)的實時渲染，帶來視覺效果上質(zhì)的飛躍。
而自1969年概念誕生起，直到2018年實時光線追蹤光線技術(shù)開始落地，阻礙這一技術(shù)發(fā)展的最大缺點就是性能，它需要的計算量非常巨大。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算，但是光線跟蹤通常是將每條光線當作獨立的光線，每次都要重新計算，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，大多數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)實現(xiàn)還停留在軟件層面，用Imagination在2020年9月發(fā)布的光線追蹤等級系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System）來評估只是在Level 1的水平。
Imagination在2020年發(fā)布的光線追蹤等級系統(tǒng)
圖源 Imagination
而Imagination最新發(fā)布的面向移動端應(yīng)用的IMG CXT系列GPU IP已達到Level 4等級。Imagination中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總時昕博士表示，“Imagination在光線追蹤方面投入大概有10年左右的歷史了，在2014年的時候就有一款測試的芯片，采用 28nm工藝，功耗在個位數(shù)。但當時整個生態(tài)還沒有準備好，當時的圖形API標準還沒有關(guān)于光線追蹤的部分，包括相關(guān)的開發(fā)工具軟件、游戲引擎等等也沒有光線追蹤的功能。但是從2012年開始，我們看到整個業(yè)界生態(tài)都開始在投入，我們認為這個時候是和合作伙伴一起推出具有光線追蹤功能的芯片的時機已經(jīng)到來了?！?/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)雜場景下，要靠著色器去完成對于場景的渲染，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的光線追蹤硬件部分來完成，從而讓效率得到極大提升?！边@也是為什么Imagination認為其IMG CXT系列可以給移動端產(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)，硬件開發(fā)，加之軟件、內(nèi)容源等生態(tài)的配合，預(yù)計到2023年消費者可以在市場上看到相關(guān)終端產(chǎn)品，體驗到實時光線追蹤技術(shù)給手游等內(nèi)容帶來的更加真實的圖形展現(xiàn)。
