“倒金字塔”折射IP巨大價(jià)值，Imagination IP創(chuàng )新蝶變賦能半導體產(chǎn)業(yè)

過(guò)去50余年，芯片制程迭代沿著(zhù)摩爾定律滾滾向前，并持續增強著(zhù)芯片的算力與性能?，F如今，無(wú)論是在SoC上集成越來(lái)越多的功能模塊，又或是利用chiplet技術(shù)在先進(jìn)制程下進(jìn)一步提升芯片集成度，都充分展現了芯片性能、功耗和成本的改進(jìn)不能僅僅依賴(lài)于制程的升級，而需從不同的維度拓展創(chuàng )新來(lái)延續摩爾定律的“經(jīng)濟效益”。這導致芯片設計變得越來(lái)越困難，IP的作用也愈加凸顯，逐漸成為企業(yè)尋求設計差異化道路上的“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(huì )上，Imagination產(chǎn)品市場(chǎng)高級經(jīng)理黃音在演講中表示，半導體行業(yè)對高性能SoC 需求的增長(cháng)提振了IP技術(shù)市場(chǎng)，作為全球領(lǐng)先的半導體IP供應商，Imagination正緊隨市場(chǎng)發(fā)展趨勢，持續進(jìn)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(lái)一些熱門(mén)應用顯著(zhù)的需求變化。

Imagination產(chǎn)品市場(chǎng)高級經(jīng)理黃音在論壇上介紹Imagination IP技術(shù)如何賦能未來(lái)硬核科技創(chuàng )新

 “倒金字塔”讓IP供應商的價(jià)值重新被審視

隨著(zhù)服務(wù)器市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與AIoT應用普及落地，5G+人工智能等技術(shù)賦能經(jīng)濟社會(huì )數字化轉型，黃音表示IP也像蝴蝶一樣，從卵、幼蟲(chóng)到蝶變的過(guò)程反映了應用市場(chǎng)需求的這種變化，并推動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的半導體廠(chǎng)商開(kāi)始考慮借助外力，例如專(zhuān)業(yè)的IP公司在某一個(gè)領(lǐng)域提供完整的技術(shù)服務(wù)，從而降低成本并節省產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。

IP作為經(jīng)驗證可復用的芯片設計模塊，從市場(chǎng)價(jià)值來(lái)看，其全球市場(chǎng)規模約為50億美元，但卻撬動(dòng)著(zhù)6000億美元的半導體產(chǎn)業(yè)不斷演進(jìn)，并賦能1.4萬(wàn)億的電子信息制造業(yè)持續發(fā)展。黃音補充道：“據lPnest數據統計，在年均600多億美元的全球芯片研發(fā)開(kāi)支中，IP研發(fā)投入只占6%約36億，但其價(jià)值和影響力卻遠遠超出用金錢(qián)衡量的份額。IP作為整個(gè)半導體上游產(chǎn)業(yè)鏈里的核心，每一元芯片能撐起200多元的社會(huì )經(jīng)濟，而每一元IP能支持20000元的社會(huì )經(jīng)濟價(jià)值?！?/p>

數十億美元的IP行業(yè)支撐著(zhù)數千億美元的半導體行業(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(chǎng)的挑戰，而中小型公司及創(chuàng )業(yè)公司，在資源的約束下只能專(zhuān)注于某些細分市場(chǎng)。但無(wú)論公司的體量是大是小，都面臨著(zhù)激烈的市場(chǎng)競爭，都希望形成技術(shù)壁壘和強大的生態(tài)系統以更好地生存。而在近乎無(wú)限的科技海洋中，沒(méi)有任何一家公司能精通一切。而IP廠(chǎng)商們能夠以某個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)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)助芯片設計公司和系統廠(chǎng)商，加快技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化周期，提升靈活性和市場(chǎng)反應速度，降低了研發(fā)風(fēng)險、運營(yíng)成本，加速產(chǎn)品上市和增加利潤，幫助企業(yè)專(zhuān)注于自身核心競爭力的發(fā)展，也是其實(shí)現差異化的關(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(shí)現最佳的能效比，為客戶(hù)創(chuàng )造不可復制的核心價(jià)值?！秉S音進(jìn)一步說(shuō)到，“對于IP廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，PPA的三個(gè)維度都是重點(diǎn)考量的標準，而Imagination的IP產(chǎn)品通過(guò)合理調整三個(gè)維度的占比，來(lái)完成對不同市場(chǎng)的適應能力，目前已在手機、PC、平板、汽車(chē)、桌面服務(wù)器、數據中心等領(lǐng)域得到了廣泛應用?！?/p>

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(chǎng)發(fā)展趨勢來(lái)看，隨著(zhù)數據中心服務(wù)器規模不斷擴大，靈活性與可擴展性正驅動(dòng)IP核供應商的技術(shù)演變，而功耗、帶寬與安全性是芯片設計繞不過(guò)的坎兒，針對這些需求如何在技術(shù)層面進(jìn)行創(chuàng )新則是整個(gè)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。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(zhuān)利和核心技術(shù)構筑了行業(yè)領(lǐng)先的價(jià)值壁壘。

靈活可擴展的GPU硬件架構技術(shù)

Imagination的GPU硬件架構，有非常好的靈活性和延展性，根據不同的市場(chǎng)和產(chǎn)品需求，單核GPU可以配置為從1PPC、2PPC直到64PPC等不同規格，根據低、中、高不同需求可進(jìn)行多個(gè)不同圖像處理能力、浮點(diǎn)運算能力的搭配。如果需要更大規模的配置，還可以進(jìn)一步提供松耦合的多核架構，甚至是幾個(gè)多核單元的聯(lián)合架構，以滿(mǎn)足超高性能超大算力的PC、服務(wù)器等產(chǎn)品需求。

Imagination的松耦合多核架構技術(shù)，能在單個(gè)芯片內靈活地切換模式，比如在需要高性能時(shí)可以作為單GPU多核協(xié)同工作，進(jìn)行聯(lián)合渲染和計算；在需要并行的計算多個(gè)不同業(yè)務(wù)時(shí)，可以作為多個(gè)單核GPU分別獨立工作，互不干擾，非常實(shí)用。而這個(gè)松耦合的技術(shù)，甚至可以延展到多顆芯片之間，把一個(gè)多核GPU，合理分布到不同的芯片die上，再通過(guò)chiplet技術(shù)，使它們重新連接起來(lái)，能實(shí)現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(wàn)變的市場(chǎng)環(huán)境下，這種技術(shù)給芯片設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，可以應對市場(chǎng)需求靈活轉身。

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(diǎn)著(zhù)色和光柵化之后加入了延遲環(huán)節，充分利用系統內存并通過(guò)只渲染可見(jiàn)的像素片段，放棄被覆蓋或被遮擋的像素片段來(lái)大幅提高整體效率，提供更高渲染性能的同時(shí)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)

為節省帶寬，目前業(yè)內SoC芯片大多采用硬件壓縮技術(shù)，據黃音介紹，IMGIC壓縮技術(shù)可以同時(shí)支持像素完全無(wú)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(jué)無(wú)損）、37.5%（一定損失）、25%（最節省帶寬）的有損壓縮。無(wú)損壓縮之后，與原圖沒(méi)有差別，還能節省平均50%左右的帶寬。有損壓縮，則能根據配置的壓縮等級，同時(shí)將帶寬、圖片存儲尺寸壓縮到指定比例，進(jìn)行有效節省，且在大部分情況下，肉眼很難察覺(jué)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(shí)現GPU硬件虛擬化IP授權的公司，并已廣泛應用于眾多車(chē)型中。黃音解釋道在汽車(chē)應用中，利用硬件虛擬化技術(shù)，OEM廠(chǎng)商可以實(shí)現服務(wù)與應用程序的完全隔離，以確保在系統被入侵或數據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(shí)支持八個(gè)各自獨立的容器以運行應用程序或服務(wù)，汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商能任意部署并移除服務(wù)和應用，完全不會(huì )影響其他同時(shí)運行的容器中的服務(wù)和應用。除了隔離，硬件虛擬化技術(shù)還支持對多個(gè)汽車(chē)OS和應用之間，靈活地調整業(yè)務(wù)優(yōu)先級和分配GPU性能，節省軟硬件成本。

基于固件的GPU

此外在許多架構中，硬件圖形事件是由圖形驅動(dòng)程序在CPU上處理的，但Imagination首創(chuàng )的基于固件的GPU能夠在內部以超低延遲處理大多數圖形事件，這種方法還減少了圖形驅動(dòng)程序的主機CPU開(kāi)銷(xiāo)，并提供了大量有益的額外特性，例如在GPU出錯的時(shí)候，采集全部的數據日志進(jìn)行錯誤分析，通過(guò)GPIO連接外部的攝像頭或壓縮解壓縮的設備進(jìn)行功耗的控制等。

“得益于諸如此類(lèi)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?！秉S音進(jìn)一步補充道，“2019年，Imagination的GPU架構有了很大的升級，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(kāi)始支持多核技術(shù)，并且在算力上進(jìn)行了優(yōu)化，在微架構上進(jìn)行了微調；2021年，推出的C系列CXT GPU增加了光線(xiàn)追蹤（RAC）的核可以做到硬件光追加速，以滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品需求?！?a>

從2019年到2022年，Imagination 陸續推出性能強大的GPU IP系列

構建算力新生態(tài)，迎接異構計算機遇與挑戰

過(guò)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(jìn)聚焦于可擴展性、靈活性、效能、效率以及可編程性上。而當數據大爆發(fā)帶來(lái)了AI計算的需求，包括SoC設計公司在內的芯片公司，都在追求更高性能、更低功耗、更節省帶寬的方案，異構計算便是必由之路。這需要在硬件和SoC整體設計上采用異構解決方案，把不同類(lèi)型的核進(jìn)行集成，如CPU、GPU、NPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加速單元等進(jìn)行疊加，對數據進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分工和更先進(jìn)的處理。

針對異構計算的趨勢，據黃音介紹，Imagination將從多個(gè)方向進(jìn)行創(chuàng )新。首先GPU將持續在多核架構上演進(jìn)、在性能跟功耗上優(yōu)化。黃音指出：“Imagination的GPU架構支持16和32位浮點(diǎn)運算（FLOAT Operation），以及INT 8/16/32定點(diǎn)運算，而紋理處理單元、反扭曲處理、基礎過(guò)濾、結合著(zhù)色器做更加復雜的過(guò)濾……這些都能通過(guò)GPU里的不同運算器來(lái)實(shí)現?！?從A系列開(kāi)始，PowerVR GPU使用了全新的算術(shù)邏輯單元（ALU）架構、調度更簡(jiǎn)單的引擎，可以在相同的芯片面積和功耗預算中使用更多的通道，完全擁抱大規模線(xiàn)程級并行的設計趨勢，并簡(jiǎn)化編譯器工作，從而獲得更高的利用率和效率。

Imagination針對異構計算在IP架構上的創(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。作為異構計算的主力和最高效的部分，NNA擁有著(zhù)相比CPU和GPU更大的算力和更高的算力密度，承載著(zhù)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，高效地控制和調度好GPU和NNA進(jìn)行計算，同時(shí)也在整體上高效地查漏補缺，是異構計算中不可或缺的一環(huán)。

其次，在軟件與系統層面，Imagination為異構計算提供了統一、開(kāi)放并且標準的工具鏈，支持標準的framework操作，同時(shí)為了消除數據瓶頸，對存儲、安全進(jìn)行了創(chuàng )新性?xún)?yōu)化，使開(kāi)發(fā)者可以快速靈活地把他們的應用部署在異構計算架構上。在整個(gè)工具鏈中，無(wú)論是從編譯準備還是到設備端實(shí)現異構運算，Imagination為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的部署和優(yōu)化功能，包括可以幫助開(kāi)發(fā)者確定量化策略，滿(mǎn)足符合其應用性能和精度的要求，并最大程度將靈活性留給開(kāi)發(fā)者。

異構計算具體到應用層面，黃音表示在汽車(chē)行業(yè)Imagination與芯片廠(chǎng)商、Tier-1廠(chǎng)商合作以及OEM廠(chǎng)商積極展開(kāi)生態(tài)合作，提供IP整體解決方案，重塑與車(chē)輛的交互方式。目前Imagination也是汽車(chē)行業(yè)最大的GPU IP供應商，在駕艙領(lǐng)域擁有約51%的市場(chǎng)份額。

在游戲、VR/AR等應用中，硬件實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤技術(shù)是Imagination最早提出來(lái)并實(shí)現的。光線(xiàn)追蹤可以在不同的性能和效率等級下實(shí)現，為了明確這一點(diǎn)，Imagination 建立了光線(xiàn)追蹤等級系統（RTLS），確定了從Level 0到Level 5共6個(gè)等級的光線(xiàn)追蹤功能的要求。IMG CXT采用的Photon架構處于RTLS的4級（Level 4），這是當前可用的最先進(jìn)的硬件光線(xiàn)追蹤技術(shù)，應用在移動(dòng)端可為移動(dòng)游戲玩家和開(kāi)發(fā)者提供實(shí)時(shí)硬件光線(xiàn)追蹤和桌面級質(zhì)量的體驗。

邁入真正的智能時(shí)代，數字化技術(shù)成為剛需，這離不開(kāi)芯片的加持，無(wú)論是移動(dòng)設備、汽車(chē)和電器等數字消費應用，還是數據中心、服務(wù)器等基礎設施行業(yè)，都需要越來(lái)越多利用先進(jìn)的IP技術(shù)賦能。黃音展望道：“成立30多年來(lái)，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(chǎng)驅動(dòng)，也引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展，未來(lái)Imagination同樣將緊隨市場(chǎng)脈絡(luò )，提高IP核的可擴展性、靈活性和效率，并通過(guò)創(chuàng )建強大的異構計算解決方案，在移動(dòng)、汽車(chē)、桌面和數據中心等多元化市場(chǎng)中發(fā)掘軟件、數據和服務(wù)的價(jià)值?！?/p>