為什么近幾年GPU的需求增長(zhǎng)如此的快速?

最近，英特爾宣布將在今年年底推出Xe-LP GPU，正式進(jìn)入獨(dú)顯GPU市場(chǎng)，并將交與臺(tái)積電進(jìn)行代工。在不久前舉行的2020年WWDC上，蘋果也透露有可能棄用AMD的GPU，轉(zhuǎn)而使用自研基于ARM架構(gòu)的解決方案，將于明年推出自研GPU。GPU市場(chǎng)到底怎么了？為什么巨頭們要紛紛入局？

海量數(shù)據(jù)呼喚高性能GPU

為什么最近這幾年GPU的需求增長(zhǎng)得如此的快速？因?yàn)槲覀冋谶M(jìn)入一個(gè)“一切需要可視化的時(shí)代”。阿依瓦（北京）技術(shù)有限公司合伙人代淑玉對(duì)《中國電子報(bào)》記者表示，可視化需要大量的圖形、圖像計(jì)算能力，無論是云端還是邊緣側(cè)都需要大量的高性能圖像處理能力。

阿依瓦（北京）技術(shù)公司是一家提供工業(yè)AR軟件解決方案的企業(yè)，其許多客戶來自制造業(yè)?，F(xiàn)在的智能工廠很多場(chǎng)景需要GPU，她舉了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景例子，智能工廠中一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是利用AI進(jìn)行產(chǎn)線質(zhì)量檢測(cè)，目前在汽車產(chǎn)線、家電產(chǎn)線等很多生產(chǎn)線上都要采用AI視覺進(jìn)行檢測(cè)?！皩?shí)時(shí)檢測(cè)的大量數(shù)據(jù)不可能都傳輸?shù)皆贫?，這就要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝高性能計(jì)算機(jī)、臺(tái)式機(jī)，要求計(jì)算機(jī)必須有很強(qiáng)的GPU處理能力。一條產(chǎn)線至少用一顆GPU，一顆中檔的GPU價(jià)格是幾萬元，高端的是一顆十幾萬元?！贝缬裾f，另外數(shù)字工廠的可視化，涉及到3D渲染、音視頻流傳輸、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸與挖掘分析，都對(duì)算力提出了更高要求。

GPU影響著“效果”和“顏值”，而今天世界很多地方都靠 “顏值”吃飯。天數(shù)智芯是一家做通用GPU（GPGPU）的中國創(chuàng)業(yè)公司，天數(shù)智芯首席科學(xué)家鄭金山對(duì)《中國電子報(bào)》記者說：“其實(shí)GPU不是現(xiàn)在才熱起來，它一直在發(fā)展，計(jì)算機(jī)/手機(jī)、專用的游戲主機(jī)中都有廣泛應(yīng)用。GPU是個(gè)人機(jī)中僅次于CPU的關(guān)鍵單元，除了三維游戲外，圖形界面的二維加速都是GPU來完成的。而現(xiàn)代操作系統(tǒng)的圖形界面也大量運(yùn)用了三維技術(shù)，沒有GPU的界面觀感很差?，F(xiàn)在的手機(jī)里面也集成了GPU，有些界面的效果也是要用它來加速的?！?/p>

除了在圖像、圖形處理上，GPU還有很強(qiáng)勁的計(jì)算能力，由于圖形處理器強(qiáng)大的并行處理能力和可編程流水線，因此流處理器可以處理非圖形數(shù)據(jù)，特別在面對(duì)單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的時(shí)候。數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)調(diào)度和傳輸?shù)男枰獣r(shí)，通用圖形處理器在性能上就大大超越了傳統(tǒng)的中央處理器應(yīng)用程序，所以被大量的用在高性能計(jì)算和AI訓(xùn)練與分析上，其被稱為GPGPU（通用圖形處理器）。

GPU市場(chǎng)蓬勃增長(zhǎng)

我們正在進(jìn)入一個(gè)“并行計(jì)算”無處不在的世界，GPU強(qiáng)大的并行處理能力越來越有用武之地。中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心副主任遲學(xué)斌在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，我們正進(jìn)入異構(gòu)計(jì)算時(shí)代，并行計(jì)算正變得無處不在。這屆全球高性能計(jì)算機(jī)TOP500排名第一的計(jì)算系統(tǒng)就采用了GPU+CPU的架構(gòu)，這預(yù)示著GPU+CPU會(huì)成為趨勢(shì)。

從各個(gè)調(diào)研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)來看，GPU在AI推理市場(chǎng)、服務(wù)器市場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)等都呈現(xiàn)出蓬勃增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。富途證券預(yù)測(cè)，隨著AI推理市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)， 2020年全球AI推理的市場(chǎng)規(guī)模為180億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)660億美元。國富證券預(yù)測(cè)，服務(wù)器對(duì)GPU的需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2020年全球服務(wù)器GPU需求約為970萬個(gè)，預(yù)計(jì)到2025年增長(zhǎng)到2500萬個(gè)，平均年復(fù)合增長(zhǎng)率約為10%。IDC預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)對(duì)GPU的需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2020年全球數(shù)據(jù)中心GPU市場(chǎng)規(guī)模為1370億美元，預(yù)計(jì)到2023年，全球數(shù)據(jù)中心GPU市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2290億美元。

從GPU的供應(yīng)商來看，英偉達(dá)和AMD占領(lǐng)著全球GPU市場(chǎng)第一、第二的位置。在最近的5年里，英偉達(dá)股價(jià)飆升2268%，在今年7月8日收盤后，英偉達(dá)市值首次超過英特爾，一度成為美國市值最高的芯片企業(yè)。AMD公司的市值也同樣一路飆升，在最近其市值也逼近了千億美元的大關(guān)。

無論是客戶需求還是市場(chǎng)數(shù)據(jù)，或是供應(yīng)商的市值變化，都在證明一個(gè)事實(shí)——GPU的火正越燒越旺。

眾廠商紛紛入場(chǎng)

GPU市場(chǎng)的紅火吸引著更多廠商入局。

英特爾是入局者之一，英偉達(dá)與AMD這幾年的快速飆升，GPU市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，英特爾不可能看不到，所以從去年開始英特爾就不再強(qiáng)調(diào)自己是CPU廠商，而是XPU廠商，XPU囊括了CPU、GPU、NPU、VPU以及FPGA等。

在此之前，英特爾是有GPU的，但是GPU功能是集成在CPU中的，做的是集成顯卡?！岸稍贑PU中的GPU無法將性能做得很強(qiáng)，要想做得更強(qiáng)，面積就會(huì)變大、功耗也會(huì)變大?！辟惖项檰柤呻娐沸畔a(chǎn)業(yè)研究中心高級(jí)分析師李秧在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示。在高性能計(jì)算、AI訓(xùn)練與分析等都無法采用集成顯卡，隨著5G的普及，自動(dòng)駕駛的推進(jìn)，AI的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，做獨(dú)立顯卡推出獨(dú)立GPU就成為了英特爾的必選。

兩年前，英特爾宣布要推出獨(dú)顯GPU芯片，制定了針對(duì)單個(gè)GPU架構(gòu)Xe的計(jì)劃，該架構(gòu)由三個(gè)不同的微架構(gòu)組成：Xe-LP，Xe-HP和Xe-HPC。分別針對(duì)從超級(jí)移動(dòng)設(shè)備到游戲機(jī)臺(tái)式機(jī)，再到工作站和數(shù)據(jù)中心。在最近舉行的英特爾2020年年度架構(gòu)日上，英特爾用了大量的時(shí)間談?wù)撈銰PU架構(gòu)計(jì)劃。從英特爾的Xe-LP GPU架構(gòu)可以看出，其準(zhǔn)備為從數(shù)據(jù)中心、HPC、高端游戲機(jī)到筆記本等所有產(chǎn)品提供獨(dú)立GPU，這意味著幾乎所有運(yùn)用到獨(dú)顯的市場(chǎng)，英特爾一個(gè)都不放過。而英特爾GPU的制造將交給臺(tái)積電進(jìn)行代工的消息也于最近傳出，所以英特爾獨(dú)顯GPU面市的腳步越來越近。

另外一個(gè)對(duì)GPU市場(chǎng)躍躍欲試的企業(yè)是蘋果。蘋果在不久前舉行的2020年WWDC上，透露有可能棄用AMD的GPU，轉(zhuǎn)而使用自研基于ARM架構(gòu)的解決方案。業(yè)界有消息稱，蘋果將在2021半年下半年配合Apple Silicon推出自研GPU芯片，該芯片代號(hào)為lifuka，采用臺(tái)積電5納米工藝，并將搭載于明年推出的iMaC中。

蘋果的GPU原是從Imagination公司購買的授權(quán)，現(xiàn)在蘋果希望自己設(shè)計(jì)GPU擁有更強(qiáng)的能力實(shí)現(xiàn)差異化。種種信息流出，進(jìn)一步做實(shí)了蘋果要自研GPU的消息。

GPU市場(chǎng)格局恐生變

英特爾與蘋果的入局，必將對(duì)GPU市場(chǎng)的江湖格局帶來影響。蘋果研發(fā)GPU主要是“自給自足”，形成差異化優(yōu)勢(shì)，不會(huì)給供應(yīng)商陣營(yíng)帶來巨大影響，而英特爾能否攪動(dòng)整個(gè)GPU市場(chǎng)的格局就成為了看點(diǎn)。目前獨(dú)顯GPU市場(chǎng)幾乎被英偉達(dá)與AMD包攬，那么英特爾的入局會(huì)讓GPU的市場(chǎng)供應(yīng)格局“變二為三”嗎？

鄭金山認(rèn)為，GPU的難度在于：三維渲染本身是一個(gè)比較難的問題，特別是光影的實(shí)時(shí)渲染算法，對(duì)應(yīng)的硬件需要設(shè)計(jì)加速器，并滿足多種算法以及軟件接口。而且歷史上還有很多API也必須兼容，還需在性能上匹配多種游戲，整個(gè)要求都比較高。GPU目前已進(jìn)入到光線追蹤算法的實(shí)現(xiàn)上了，游戲產(chǎn)業(yè)要求永不停息的渲染更逼真、分辨率更高的產(chǎn)品。VR的市場(chǎng)起來，算法/算力需求又需進(jìn)一步發(fā)展。

從目前英特爾給出的信息看，其Xe-LP將滿足用戶現(xiàn)代游戲的各種需求，包括光纖追蹤和4K發(fā)燒級(jí)性能。有分析稱，其有望與英偉達(dá)的Ampere系列顯卡和AMD今年推出的RDNA2顯卡一爭(zhēng)高下。最高級(jí)別的Xe-HPC目前已確認(rèn)將采用在美國能源部的百億億次超算Aurora上。英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛對(duì)于英特爾的入局曾表示：“英特爾終于認(rèn)識(shí)到GPU的重要性了，歡迎來到GPU世界?！碑?dāng)初的GPU概念就是由英偉達(dá)提出來的，所以英偉達(dá)也不是”吃干飯的”，從藍(lán)圖到技術(shù)實(shí)現(xiàn)，英特爾能否如期交出滿意答卷，還要看產(chǎn)品真正出來才知怎么樣。

“競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)除了硬件部分，還有整個(gè)游戲業(yè)界的軟件生態(tài)，即具有出色用戶體驗(yàn)的軟件產(chǎn)品。”鄭金山說。

李秧表達(dá)了同樣的觀點(diǎn)，他認(rèn)為英偉達(dá)不僅僅是在硬件層面強(qiáng)，這些年其在游戲、圖形處理廠商、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、開發(fā)者等方面積累了大量的生態(tài)伙伴資源，從硬件到開發(fā)平臺(tái)到合作伙伴生態(tài)建立的壁壘，這才是英特爾短期內(nèi)難以逾越的溝壑。

新入局者尚待市場(chǎng)檢驗(yàn)

關(guān)于軟件、開發(fā)者和應(yīng)用生態(tài)這一點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)入獨(dú)立顯示GPU市場(chǎng)的英特爾不可能沒有想到，所以在不久前舉行的架構(gòu)日上，英特爾首席架構(gòu)師Raja Koduri強(qiáng)調(diào)，英特爾的Xe架構(gòu)Xe的主要設(shè)計(jì)思路有三點(diǎn)——軟件先行、兼顧擴(kuò)展、全新應(yīng)用。Xe并非孤立的產(chǎn)品，而是會(huì)結(jié)合英特爾完整的硬件產(chǎn)品組合，以及統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境而協(xié)同設(shè)計(jì)。Raja多次強(qiáng)調(diào)，希望使用相同的軟件棧、相同的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)Xe產(chǎn)品的快速擴(kuò)展。

目前來看，Xe的主體架構(gòu)基于Slice實(shí)現(xiàn)，最多有6個(gè)subSlice，共計(jì)高達(dá)96個(gè)EU（Execution Unit），能提供每周期1536次浮點(diǎn)運(yùn)算。和英特爾的前一代集顯相比，Xe-LP重新設(shè)計(jì)了自身的微架構(gòu)。Xe作為一個(gè)全新的GPU產(chǎn)品系列，它的一個(gè)主要優(yōu)化重點(diǎn)就在于軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在架構(gòu)日上，大家提出了很多針對(duì)GPU的問題，英特爾并沒有全部解答。但無論如何，英特爾進(jìn)入獨(dú)顯市場(chǎng)，并帶來重新設(shè)計(jì)的架構(gòu)，給這個(gè)市場(chǎng)帶來了更多的選擇和想象。其產(chǎn)品能力到底如何，還需要等待市場(chǎng)的檢驗(yàn)。那么英特爾來了，那些一個(gè)GPU板塊賣到一輛轎車價(jià)格的高端GPU會(huì)降價(jià)嗎？這是眾多網(wǎng)友們關(guān)心的重要問題，答案等產(chǎn)品量產(chǎn)之后見吧。
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