为什么近几年GPU的需求增长如此的快速?

最近，英特尔宣布将在今年年底推出Xe-LP GPU，正式进入独显GPU市场，并将交与台积电进行代工。在不久前举行的2020年WWDC上，苹果也透露有可能弃用AMD的GPU，转而使用自研基于ARM架构的解决方案，将于明年推出自研GPU。GPU市场到底怎么了？为什么巨头们要纷纷入局？

海量数据呼唤高性能GPU

为什么最近这几年GPU的需求增长得如此的快速？因为我们正在进入一个“一切需要可视化的时代”。阿依瓦（北京）技术有限公司合伙人代淑玉对《中国电子报》记者表示，可视化需要大量的图形、图像计算能力，无论是云端还是边缘侧都需要大量的高性能图像处理能力。

阿依瓦（北京）技术公司是一家提供工业AR软件解决方案的企业，其许多客户来自制造业。现在的智能工厂很多场景需要GPU，她举了工业互联网场景例子，智能工厂中一个典型的应用场景是利用AI进行产线质量检测，目前在汽车产线、家电产线等很多生产线上都要采用AI视觉进行检测。“实时检测的大量数据不可能都传输到云端，这就要在生产现场安装高性能计算机、台式机，要求计算机必须有很强的GPU处理能力。一条产线至少用一颗GPU，一颗中档的GPU价格是几万元，高端的是一颗十几万元。”代淑玉说，另外数字工厂的可视化，涉及到3D渲染、音视频流传输、动态数据传输与挖掘分析，都对算力提出了更高要求。

GPU影响着“效果”和“颜值”，而今天世界很多地方都靠 “颜值”吃饭。天数智芯是一家做通用GPU（GPGPU）的中国创业公司，天数智芯首席科学家郑金山对《中国电子报》记者说：“其实GPU不是现在才热起来，它一直在发展，计算机/手机、专用的游戏主机中都有广泛应用。GPU是个人机中仅次于CPU的关键单元，除了三维游戏外，图形界面的二维加速都是GPU来完成的。而现代操作系统的图形界面也大量运用了三维技术，没有GPU的界面观感很差。现在的手机里面也集成了GPU，有些界面的效果也是要用它来加速的。”

除了在图像、图形处理上，GPU还有很强劲的计算能力，由于图形处理器强大的并行处理能力和可编程流水线，因此流处理器可以处理非图形数据，特别在面对单指令流多数据流（SIMD）的时候。数据处理的运算量远大于数据调度和传输的需要时，通用图形处理器在性能上就大大超越了传统的中央处理器应用程序，所以被大量的用在高性能计算和AI训练与分析上，其被称为GPGPU（通用图形处理器）。

GPU市场蓬勃增长

我们正在进入一个“并行计算”无处不在的世界，GPU强大的并行处理能力越来越有用武之地。中科院计算机网络信息中心副主任迟学斌在接受《中国电子报》记者采访时表示，我们正进入异构计算时代，并行计算正变得无处不在。这届全球高性能计算机TOP500排名第一的计算系统就采用了GPU+CPU的架构，这预示着GPU+CPU会成为趋势。

从各个调研机构的数据预测来看，GPU在AI推理市场、服务器市场、数据中心市场等都呈现出蓬勃增长的态势。富途证券预测，随着AI推理市场需求持续增长， 2020年全球AI推理的市场规模为180亿美元，预计到2025年将达660亿美元。国富证券预测，服务器对GPU的需求呈现快速增长的趋势。2020年全球服务器GPU需求约为970万个，预计到2025年增长到2500万个，平均年复合增长率约为10%。IDC预测，全球数据中心市场对GPU的需求呈现快速增长的趋势。2020年全球数据中心GPU市场规模为1370亿美元，预计到2023年，全球数据中心GPU市场规模将达2290亿美元。

从GPU的供应商来看，英伟达和AMD占领着全球GPU市场第一、第二的位置。在最近的5年里，英伟达股价飙升2268%，在今年7月8日收盘后，英伟达市值首次超过英特尔，一度成为美国市值最高的芯片企业。AMD公司的市值也同样一路飙升，在最近其市值也逼近了千亿美元的大关。

无论是客户需求还是市场数据，或是供应商的市值变化，都在证明一个事实——GPU的火正越烧越旺。

众厂商纷纷入场

GPU市场的红火吸引着更多厂商入局。

英特尔是入局者之一，英伟达与AMD这几年的快速飙升，GPU市场的快速增长，英特尔不可能看不到，所以从去年开始英特尔就不再强调自己是CPU厂商，而是XPU厂商，XPU囊括了CPU、GPU、NPU、VPU以及FPGA等。

在此之前，英特尔是有GPU的，但是GPU功能是集成在CPU中的，做的是集成显卡。“而集成在CPU中的GPU无法将性能做得很强，要想做得更强，面积就会变大、功耗也会变大。”赛迪顾问集成电路信息产业研究中心高级分析师李秧在接受《中国电子报》记者采访时表示。在高性能计算、AI训练与分析等都无法采用集成显卡，随着5G的普及，自动驾驶的推进，AI的快速发展，数据量爆发式增长，做独立显卡推出独立GPU就成为了英特尔的必选。

两年前，英特尔宣布要推出独显GPU芯片，制定了针对单个GPU架构Xe的计划，该架构由三个不同的微架构组成：Xe-LP，Xe-HP和Xe-HPC。分别针对从超级移动设备到游戏机台式机，再到工作站和数据中心。在最近举行的英特尔2020年年度架构日上，英特尔用了大量的时间谈论其GPU架构计划。从英特尔的Xe-LP GPU架构可以看出，其准备为从数据中心、HPC、高端游戏机到笔记本等所有产品提供独立GPU，这意味着几乎所有运用到独显的市场，英特尔一个都不放过。而英特尔GPU的制造将交给台积电进行代工的消息也于最近传出，所以英特尔独显GPU面市的脚步越来越近。

另外一个对GPU市场跃跃欲试的企业是苹果。苹果在不久前举行的2020年WWDC上，透露有可能弃用AMD的GPU，转而使用自研基于ARM架构的解决方案。业界有消息称，苹果将在2021半年下半年配合Apple Silicon推出自研GPU芯片，该芯片代号为lifuka，采用台积电5纳米工艺，并将搭载于明年推出的iMaC中。

苹果的GPU原是从Imagination公司购买的授权，现在苹果希望自己设计GPU拥有更强的能力实现差异化。种种信息流出，进一步做实了苹果要自研GPU的消息。

GPU市场格局恐生变

英特尔与苹果的入局，必将对GPU市场的江湖格局带来影响。苹果研发GPU主要是“自给自足”，形成差异化优势，不会给供应商阵营带来巨大影响，而英特尔能否搅动整个GPU市场的格局就成为了看点。目前独显GPU市场几乎被英伟达与AMD包揽，那么英特尔的入局会让GPU的市场供应格局“变二为三”吗？

郑金山认为，GPU的难度在于：三维渲染本身是一个比较难的问题，特别是光影的实时渲染算法，对应的硬件需要设计加速器，并满足多种算法以及软件接口。而且历史上还有很多API也必须兼容，还需在性能上匹配多种游戏，整个要求都比较高。GPU目前已进入到光线追踪算法的实现上了，游戏产业要求永不停息的渲染更逼真、分辨率更高的产品。VR的市场起来，算法/算力需求又需进一步发展。

从目前英特尔给出的信息看，其Xe-LP将满足用户现代游戏的各种需求，包括光纤追踪和4K发烧级性能。有分析称，其有望与英伟达的Ampere系列显卡和AMD今年推出的RDNA2显卡一争高下。最高级别的Xe-HPC目前已确认将采用在美国能源部的百亿亿次超算Aurora上。英伟达创始人黄仁勋对于英特尔的入局曾表示：“英特尔终于认识到GPU的重要性了，欢迎来到GPU世界。”当初的GPU概念就是由英伟达提出来的，所以英伟达也不是”吃干饭的”，从蓝图到技术实现，英特尔能否如期交出满意答卷，还要看产品真正出来才知怎么样。

“竞争焦点除了硬件部分，还有整个游戏业界的软件生态，即具有出色用户体验的软件产品。”郑金山说。

李秧表达了同样的观点，他认为英伟达不仅仅是在硬件层面强，这些年其在游戏、图形处理厂商、学术机构、开发者等方面积累了大量的生态伙伴资源，从硬件到开发平台到合作伙伴生态建立的壁垒，这才是英特尔短期内难以逾越的沟壑。

新入局者尚待市场检验

关于软件、开发者和应用生态这一点，准备进入独立显示GPU市场的英特尔不可能没有想到，所以在不久前举行的架构日上，英特尔首席架构师Raja Koduri强调，英特尔的Xe架构Xe的主要设计思路有三点——软件先行、兼顾扩展、全新应用。Xe并非孤立的产品，而是会结合英特尔完整的硬件产品组合，以及统一的软件开发环境而协同设计。Raja多次强调，希望使用相同的软件栈、相同的微架构设计，实现多个Xe产品的快速扩展。

目前来看，Xe的主体架构基于Slice实现，最多有6个subSlice，共计高达96个EU（Execution Unit），能提供每周期1536次浮点运算。和英特尔的前一代集显相比，Xe-LP重新设计了自身的微架构。Xe作为一个全新的GPU产品系列，它的一个主要优化重点就在于软件系统的设计。

在架构日上，大家提出了很多针对GPU的问题，英特尔并没有全部解答。但无论如何，英特尔进入独显市场，并带来重新设计的架构，给这个市场带来了更多的选择和想象。其产品能力到底如何，还需要等待市场的检验。那么英特尔来了，那些一个GPU板块卖到一辆轿车价格的高端GPU会降价吗？这是众多网友们关心的重要问题，答案等产品量产之后见吧。
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