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从国产大飞机C919上的国产GPU看GPU的架构设计

常驻编辑 科普中国 2022-06-10 架构   角形   英伟   光栅   线程   指令   单元   领域   结构   硬件
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NVIDIA其他GPU架构

NVIDIA还有其他架构,面向超强弹性数据中心核心的AMPERE 架构(7nm),面向AI的HOPPER 架构(4N 工艺),专业图形应用中的Turing架构,人工智能引擎VOLTA架构。9se拜客生活常识网

此外,先前还有Pascal 架构(16nm),Kepler架构,Maxwell架构。9se拜客生活常识网

Intel GPU架构

Intel以往是没有独立的GPU的,我们以往常见的是Intel CPU中集成了显卡,称之为集显。直到2021年8月,Intel宣布推出面向游戏玩家的Xe-HPG架构Alchemist GPU;以及面向数据中心的Xe-HPC架构GPU芯片Ponte Vecchio。2022年3月,Intel正式发布了Intel Arc A系列移动端独立显卡。9se拜客生活常识网

AMD下一代GPU架构Polaris

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最近,AMD透露了下一代GPU架构Polaris,这是 Graphics Core Next (GCN)架构的第四代,目前AMD显卡如 Radeon R9 285和R9 Fury 使用的是 GCN 1.2架构。新架构显卡最引入瞩目之处是使用14纳米FinFET工艺。9se拜客生活常识网

过去几年AMD及其竞争对手 Nvidia的显卡一直停留在28纳米工艺上,采用14纳米工艺将能大幅改进功耗和每瓦性能。Polaris还将改进命令处理器,几何图形处理器、L2缓存、内存控制器、多媒体核心、显示引擎、支持4K@60FPS h.265硬编码解码, DisplayPort 1.3和HDMI 2.0a等新技术。9se拜客生活常识网

国产 HKM9000 GPU架构

暂时未有公开报道国产HKM9000 GPU的架构。但据中国航空新闻网的报道,HKM9000 GPU芯片具有完全自主的指令架构、核心算法、图形流水、软硬件代码及生态。并且面向典型机载座舱显示进行了应用级、算法级、架构级、电路级、软件级等系列优化。构建了模型驱动的芯片敏捷设计开发流程,建设了完备的应用开发生态体系。9se拜客生活常识网

目前HKM9000已成功适配国内外10余款处理器及天脉全系列、VxWorks、翼辉、Linux等操作系统,实现了VAPS、iDATA、SCADE、Qt、MiniGUI、FreeType等图形应用开发软件,在航空、航天、兵器等领域13家用户、18种显控产品中得到应用,功能稳定、可靠。9se拜客生活常识网

根据实测,HKM9000相比商业级芯片性能普遍提升20%,在仪表盘等场景中性能提升可达2-3倍。9se拜客生活常识网

GPU芯片研发有多难?9se拜客生活常识网

通用GPU两大难点

从头开始研发GPU主要有两大困难。第一是专利壁垒,第二是GPU芯片的架构体系化创新。9se拜客生活常识网

在专利壁垒方面,GPU作为先进工艺的数字芯片,高技术含量IP的持续演进是技术自主和市场竞争优势的保障。在该领域起步早的全球GPU巨头们已筑建了层层专利保护墙。以GPU架构IP专利为例,苹果在该领域也绕不开专利授权:从A4到A10X的所有苹果手机处理器中的GPU都是采用Imagination的IP,A10之后苹果通过架构授权,有了自己的GPU架构把控,依然是基于Imagination的TBDR架构专利授权,隶属于该架构分支。但一旦架构授权后独立演进了,也就不再被专利卡脖子了。9se拜客生活常识网

在GPU芯片设计方面,GPU也绝非简单的芯片设计,其设计较一般芯片更复杂,系统更庞大,涉及面更广。做GPU需要极其专业的团队,团队从前到后要做到软硬件全栈设计开发。专业人才要涵盖架构、算法、硬件、软件以及各种验证方式,包括后端、版图、驱动、测试、结构、生产代工等,大批量还需考虑供应链等领域。这点从国产GPU HKM9000的研发单位航空工业计算所翔腾微电子申请的专利中可见一斑(见后面的详解)。9se拜客生活常识网

航电专用GPU难点

而作为航空领域的专用GPU,其设计则需要考虑得更多,在上万米高空上极寒高热的应用环境下的稳定性,数据传输的稳定性,严苛的可靠性,以及极端情况下依然能够工作的要求等都对专用GPU提出了更多工艺制造和电气特性方面的更高要求。9se拜客生活常识网

由于航空领域的高标准,从这方面来看,民航领域的电子产品与军用方面的标准已经很接近了。9se拜客生活常识网

航电系统GPU特点9se拜客生活常识网

为了保证飞机完成预定任务,达到各项规定性能,飞机的综合航空电子系统(简称航电系统)采用分布式计算机结构,通过多路传输数据总线将多种机载电子设备(分系统)交联在一起。航电系统的GPU被称为航电仪表,是独立的电子仪表系统(Electronic Instrument System,EIS),可以为飞行人员提供飞行器及其分系统信息,显示飞机某部分的姿态、高度或运行状况的设备,有着综合显示各种信息、易于追加资料等特点。

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