三大芯片巨头正面碰撞，燃起独立 GPU 新战火

在刚刚结束的2021年架构日上，Intel公布了全新的独立显卡架构XeHPG，基于该架构的首批GPU将采用台积电N6工艺，于2022年第一季度上市。这是Intel从1998年发布i740以来，二十多之后再次踏入独立GPU市场。由于Intel的加入，独立GPU的市场将再次变成“三国杀”的局面，从图形图像到AI和高性能计算，技术竞争和市场争夺将全面升级。从专用到通用GPU市场行情大好。根据市场研究公司JonPeddieResearch的报告，2021年第一季全球GPU出货量达1.19亿颗，同比增长38.78%，环比下降3%。虽然Intel在整体GPU出货上占据了68%的市场份额，但是在独立GPU方面，英伟达则以81%的份额占据绝对领先，而AMD以19%的占有率排名第二。据JPR的分析师预测，独立GPU的出货量还将继续提升，到2025年将占整体GPU市场的26%。无论是云端、边缘侧还是终端，各种电子系统都需要高性能的图像处理能力，GPU的发展因此进入加速阶段。独立GPU因为用途广泛，更是成为了大芯片中的佼佼者，架构和工艺都已达芯片业的顶峰。英伟达在2020年发布的面向消费市场的旗舰级GeForceRTX30系列GPU，采用了三星8nm工艺，其中的RTX3080和RTX3090，所包含的晶体管数目已经达到了280亿个。与之对应，AMD的RX6000系列，采用了台积电的7nm工艺，晶体管数目也达到了268亿个。顶尖的工艺和庞大的晶体管数目对应了越来越复杂的芯片架构。以目前最新的英伟达安培（Ampere）架构为例，其运算部份就包括了流处理器(StreamProcessor，SP)、纹理单元（Texturemappingunit,TMU)、张量单元（TensorCore）、光线追踪单元（RTCores）、光栅化处理单元（ROPs）。其中，在游戏中应用越来越多的光线追踪技术由光追单元来负责，而将GPU带入AI领域的则是张量单元，可用于实时深度学习、大型矩阵运算和深度学习超级采样（DLSS）。这两个单元的引入也将GPU的性能和作用完全提升，从图形处理器升级成计算处理器。为了追求性能的极致，独立GPU之间的竞争因此就演化了成了架构之间的比拼。英伟达在2020年推出了安培架构，AMD则回应了RDNA2架构，使得其RX6000在性能上可以与RTX30一较高下。有人将GPU架构的升级趋势概括为“更多”、“更专”、“更智能”。晶体管数量和运算单元的增加是为多，其中包括流处理器单元、纹理单元、光栅单元等数量上升。“更专”是指除了常规的计算单元，GPU还会增加新的运算单元。“更智能”是指GPU的AI运算能力上升。这次Intel加入战局也是有备而来，Xe架构经过多年打磨而出，不但具备了时下最流行的各种元素，还使用了台积电的6纳米工艺，完全有实力与英伟达和AMD一较高下。不过，有业内人士指出，Intel还是一个基因属于CPU的公司，而在GPU上的投入需要配合CPU的成长，因此处理好CPU和GPU之间的发展冲突将是一个很大的挑战。争夺数据中心和更广阔天地2012年，多伦多大学AlexKrizhevsky创建了能够从100万样本中自动学习识别图像的深度神经网络。仅在两块NVIDIAGTX580GPU上训练数天，“AlexNet”就赢得了当年的ImageNet竞赛，击败了磨练几十年的所有人类专家算法。认识深度学习的强大后，斯坦福的AndrewNg与NVIDIA研究室合作开发了一种使用大规模GPU计算系统训练网络的方法。深度神经网络技术从此迅速发展，也一举奠定了GPU在AI领域的地位。GPU提供了多个并行计算的基础结构，并且核心数较多，可以进行海量数据的并行计算，还拥有更高的访存速度和很高的浮点运算能力。这一切都使得GPU完美契合了AI计算的需求。当前，GPU是AI“训练”阶段较为适合的芯片。GPU在AI时代的云端训练芯片中占据较大的份额，达到64.%。虽然后期由于FPGA以及ASIC技术的突破，GPU的市场份额有所下降，但是仍然是云端训练市场份额最大的芯片，2019年-2021年年复合增长率达到40%。这一切的起点就是GPGPU的应用。用于通用计算的GPU被称为GPGPU，可以与CPU协同工作，将一些大计算量的负载承接过来，以加速应用程序。GPGPU的概念始于学界，真正让其发扬光大的还是英伟达。2006年，英伟达推出了Tesla架构，把GPU中的矢量计算单元拆成了多个标量计算渲染单元，使其更适合通用计算。2007年，英伟达又推出了CUDA，专为GPU设计的并行计算平台和编程模型。通过CUDA可以大大降低用GPU做通用计算的难度，因此大大降低了GPGPU应用的门槛。当CUDA与深度学习相结合，更是释放了GPU的巨大潜力，也让AI从实验室走入了业界。同时，GPU也稳固了自己在数据中心的地位。凭借GPU在数据中心的表现，英伟达的业绩也一路走高。在2022年Q1财季，其数据中心业务营收为20.5亿美元，创下公司历史上的新纪录，与上年同期相比增长79%，与上一季度相比增长8%，占总营收的比重已达36%。在此领域发力较晚的AMD现在也开始奋起直追。根据AMD首席执行官LisaSu的说法，该公司第二季度数据中心GPU的销售收入“同比增长了一倍多”。LisaSu将该细分市场的出色表现归功于该公司Instinct加速器部署的增加，其中还包括其基于CDNA2架构的最新数据中心显卡的首次出货。现在，终于轮到Intel出手了。最新的面向数据中心的GPUPonteVecchio重磅出炉，拥有1000亿颗晶体管的SoC也创下了Intel之最。PonteVecchio基于Xe-HPC微架构，由多个复杂的设计组成，这些设计以单元形式呈现，然后通过嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）单元进行组装，实现单元之间的低功耗、高速连接。这些设计均被集成于Foveros封装中，为提高功率和互连密度形成有源芯片的3D堆叠。“在ASIC和FPGA都在与GPU进行竞争的时刻，Intel选择了GPU，说明GPU可能还是通用AI的最好选择。”行业专家刘明（化名）这样评论道。这颗巨大的芯片也可以被看做是对英伟达推出数据中心CPU的反击，双方至此都形成了CPU+GPU的布局。同时，英特尔还在发展其oneAPI计划，使其成为NvidiaCUDA的强大竞争对手，因为它的范围不仅限于GPU，而且涵盖CPU和所有处理器。尽管独立GPU不能完全取代CPU，但是其已经成为数据中心中非常关键的一环。当三大芯片厂商都汇聚于此时，GPU还会有更多精彩的故事。