國產GPU，這波發展勢頭有點猛啊。先是芯動科技在去年底推出一顆“風華1號”，劍指高性能桌面級/服務器級顯卡市場。現在摩爾線程僅用18個月時間，量產上市了一款全功能國產GPU。壁仞科技也緊跟着宣布首款通用GPU芯片點亮成功。如此速度和成果，甚至引來外界驚嘆：
這是一夕之間就殺到了老黃城牆下的節奏？
大家最關心的，一是產品本身，性能、價格、啥時能買到。
再就是背後的行業突然火爆的原因，“怎麼就做到了？”、“專利咋就饒過了？”
熱議之中，“IP授權”一詞也逐漸浮出水面。
比如，在這輪討論中被反覆提及的，就有一家名為Imagination的芯片設計廠商。
坊間傳聞，這一波GPU頭部創企的新產品起勢，有不少與其脫不開關係……
中資背景的芯片設計公司
Imagination Technologies，和大名鼎鼎的ARM一樣，這是一家總部位於英國的芯片設計公司，依靠向其他廠商授權芯片IP，收取授權費盈利。
早年間，這家公司曾以“蘋果御用IP授權商”而聞名。
從第一代iPhone到iPhone 7 Plus，A系列芯片中的圖形處理器部分，都是基於Imagination的PowerVR的IP核設計開發。
事實上，不僅是蘋果，英特爾、三星、聯發科、華為海思等都是Imagination的客戶。
統計數據顯示，在2010年，全球售出了超過2.15億枚包含PowerVR技術的芯片。
2012年，Imagination在移動GPU IP授權市場佔比接近50%。
另外，據《金融時報》報道，英特爾和蘋果都曾大量持有這家芯片設計公司的股份，以至於該公司一度陷於兩強之間拉鋸戰。
2016年，還有媒體報道蘋果已經與Imagination就收購進行了“高級談判”。但最終這項收購案並沒有下文。
一個重大的轉折發生在2017年。
2017年4月，蘋果官宣與Imagination“分手”，開始自研GPU。
這使得Imagination的股價應聲暴跌，跌幅一度超過70%——據《金融時報》報道，在當時，Imagination有一半以上的收入來自蘋果。
而在此之前，Imagination的GPU業務本就已遭受來自ARM Mali的衝擊。
ARM為了拓展Mali GPU的市場份額，採取了“買CPU，送GPU”的策略，即購買CPU核授權，就能享GPU核折扣。
不少媒體評價認為，雖然Imagination在移動GPU技術上具有領先優勢，但ARM的“買一送一”策略還是讓不少手機芯片廠商選擇調轉陣營。
困境之下，最終是一家中資背景的私募基金抬了Imagination一手：主要資金來自國新基金的Canyon Bridge出資5.5億英鎊（約合49億元人民幣）收購了Imagination Technologies。
值得一提的是，Imagination還曾將CPU芯片架構MIPS收入囊中，但在牽手Canyon Bridge時對該業務進行了拆分出售。
雖然如今的移動GPU一號位已經被ARM搶佔，但Imagination近幾年的發展勢頭又起來了。
尤其是其在移動光追技術上的投入，現在已經初見成效。
雖然除了芯動科技以外，官方沒有明確透露有哪些國產芯片廠商與Imagination達成了合作，但完美世界、騰訊遊戲、網易遊戲等遊戲公司都出面為PowerVR Photon這個“移動GPU領域最先進光追架構”站過台。
蘋果也已在2020年1月與Imagination重修舊好，達成了新的多年期授權協議。
IP授權是怎麼個玩法
說了這麼多，像Imagination這樣的IP供應商，到底在GPU設計開發的過程中扮演怎樣的角色？
首先要解釋的是，芯片領域說的IP就是知識產權的那個IP(Intellectual Property)。
已驗證的、可以重複使用的集成電路設計模塊又稱作IP核。
在早期，芯片公司會把自己開發好的、能完成特定功能的電路做成模塊復用，也就是常說的“不要重複造輪子”。
隨着集成電路規模越來越大，芯片功能越來越複雜，各類電子產品上市節奏也在加快。
一家芯片公司很難再獨立完成所有模塊的設計，使用已驗證的成熟IP核就成了降低成本、縮短設計周期的必然選擇和行業慣例。
專門提供IP核授權的供應商也從產業鏈中分化出來。
這方面最大的公司就是ARM，像高通和聯發科等手機芯片CPU部分用的ARM Cortex-A710和X2等，就是以IP核形式授權的微架構。
根據授權形式，IP核又分軟核、固核和硬核三種。
軟核是用Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的電路模塊，只提供源代碼不涉及硬件部分。
固核是在軟核基礎上完成了門電路層面的設計和驗證，交付的是門級電路網表 (Gate-level Netlist)。
硬核進一步完成了物理上的布局布線、包括仿真驗證等步驟，提供設計階段的最終產品掩膜版圖。
從軟到硬，購買IP核后需要完成的工序越少，可調整空間也越小。
不過，即使可以從第三方購買IP核，完整的GPU設計仍然不是一件容易的事。
以英偉達最新發布的Hopper為例，一個全功能GPU架構，光是運算部分就包括用於圖像渲染的流處理器、用於數據計算的張量單元、再加上光柵化處理單元(ROPs)、光線追蹤單元等。
周邊還有顯存、緩存、視頻解碼、電源管理、PCIe總線接口等。
△ Nvidia Hopper架構
根據IBS統計，7nm製程下單顆芯片中可集成的IP核數量平均為178個，到5nm還會增長到218個。
要把這麼多IP核集成到一起，保證它們之間高效協作依舊困難重重。
對於軟IP需要做硬化、不同IP之間接口的統一、還有芯片整體的布局設計、整體驗證和測試等……
有任何一點疏忽都可能造成流片失敗，需要從頭再來，上億的流片費用和前期更多投入都血本無歸。
GPU IP核授權市場上，ARM、Imagination、芯原微電子目前佔有率排全球前三。
三家的風格和境遇也不盡相同。
ARM的Mali系列GPU主打移動端，被聯發科、三星、華為海思選用。不過海思前景不明，三星也開始着手在AMD架構授權下自研IP。
Imagination更專註於GPU，PowerVR早年性能領先於高通和ARM，但收入來源單一，失去大客戶蘋果后遭重大打擊，正在尋求開拓桌面、車載和高性能計算市場。
芯原微電子(VeriSilicon)是國內老牌IP供應商，同時提供一站式芯片設計服務，GPU業務收購自美國圖芯(Vivante)。現在是國內排名第1、全球排名第7的芯片IP授權服務商。
△圖源：芯原2021年報
國產GPU最近一段時間藉助IP授權多點開花，紛紛流片成功或量產，算是邁出了艱難的第一步。
IP授權模式除了能減少投入加速回報，還能迅速積累經驗、逐步建立起人才隊伍。
有了積累之後，才可能像蘋果、三星一樣攀登架構授權+IP自研之路。
事實上，就連蘋果的自研IP也並非一帆風順，分手3年後又回頭重新與Imagination合作，據市場傳聞有專利方面的原因。
IP核供應商早已用技術優勢與專利權構築起護城河，芯片設計公司想繞過就要付出更大的代價。
如手機GPU搭載光線追蹤成為一大趨勢，Imagination與高通走在前面，蘋果如堅持自研，就要繞過已有專利提出新方法，如此則面臨跟不上產品更新換代節奏的風險。
最後，一款GPU能否成功走入市場也不光是硬件的事，配套的編程接口和軟件支持也很重要。
像英偉達能成為GPU市場上的霸主，除了硬件性能強大，CUDA計算平台生態也是一大原因。
AMD對應推出的ROCm開放計算平台，短時間內也難以撼動CUDA的統治地位。
像摩爾線程、壁仞科技這樣的國產GPU創業公司，還有很長的路要走。
國產GPU，為何是現在？
國產芯片創業上一輪爆發與AI熱潮同步，聚焦於數據計算，也就是各類DPU、NPU。
15年開始，誕生了地平線、寒武紀、燧原這一批AI芯片獨角獸，隨後BAT華為等大廠也紛紛親自下場。
20年下半年開始，資本市場上講出了包括圖形渲染在內的全功能GPU的新故事。
壁仞科技、摩爾線程先後成立並大筆融資，芯動科技、兆芯等老牌芯片公司的獨立顯卡項目也在這附近官宣。
這段時間幾件大事，或許都有影響在其中。
首先要說的是，2020年國家全面推廣信創產業，其中涉及芯片、服務器的國產替代、自主可控。
芯動科技就把“信創”列為風華1號的主要應用方向之一，還與國產操作系統統信達成生態合作，完成國產GPU與國產OS的適配。
△芯動科技官網
另外，受全球芯片短缺和挖礦影響，GPU本身的價格也從2020年開始暴漲。
GPU挖礦主要挖的是以太坊，其價格在一年間增長了4.8倍。而在這之前，芯動科技的業務之一是生產挖比特幣用的ASIC礦機。
△芯動科技官網
最後，元宇宙、數字人、AR/VR的火爆也把3D圖形計算需求抬到新高度。
壁仞科技在應用方向上透露過重點關注自動駕駛和元宇宙、摩爾線程還特別提出“元計算”。
△摩爾線程官網
如此看來，2020年中段開始創業或立項，不到2年紛紛拿出量產或流片的成果，就是國產GPU現在的速度。
其中芯動科技的風華1號明確表示使用了Imagination的IMG B系列GPU IP，另外幾家沒有透露具體情況。
PS. 針對Imagination IP授權一事，我們問了問相關頭部創企，對方未作回應。