GPU竞争之战：“百家争鸣”如何演变为“三分天下”？

核心历史——纵览国内外半导体行业发展历史，挖掘行业内的奇闻趣事，古为今用，探寻行业未来发展之路。Micronet报道称，在半导体领域，只有GPU能够以摩尔定律两倍的速度发展，在PC领域同时挑战CPU的地位，让图形行业的创作者和无数游戏玩家“疯狂”。GPU诞生20多年来，已经从简单的可编程几何处理器发展到可以运行在数GHz速度的64位浮点处理器，应用范围也逐渐扩展到超级计算机、人工智能、边缘计算、医疗仪器、汽车、移动设备等多个领域。时代大潮汹涌澎湃，技术日新月异。通过回顾GPU产业的发展和竞争，我们可以深刻理解从其发起到成长的前因后果和重要启示。01野人时代：Pre GPU群“百家争鸣”追溯GPU的历史，要从野人时代的图形显示控制器说起。早在1962年，麻省理工学院的Ivan ivan sutherland博士发表的论文和他的画板程序初步奠定了计算机图形学的基础。此后20年，计算机图形学不断发展，但没有取得实质性突破。由于对计算能力、精度、运行强度和硬件的要求很高，计算机没有配备专门的图形处理芯片，都是使用CPU来完成图形处理任务。当时显卡的作用只是实现图形显示，也就是把CPU生成的图形“翻译”成显示设备可以识别的信号，并不具备计算能力。但随着图形计算技术的不断演进，80年代初出现的Commodore Amiga创造性地为显卡增加了一些图像生成功能，包括画线、区域填充和块图像传输。1981年，IBM发布了世界上第一台个人电脑IBM5150，配备了黑白显示适配器(MDA)和彩色图形适配器(CGA)。这是最早的图形显示控制器。1987年，IBM再次引入EGA，提出了兼容使用至今的VGA标准。该标准在文本模式下可支持720400的分辨率，在绘图模式下可支持64048016的彩色输出，奠定了图形显示的早期标准。但是，由于软硬件的限制、技术壁垒和成本等原因，图形处理仍然没有在显卡中得到广泛应用。直到90年代初，在微软Windows系统的推动下，显示芯片厂商才开始在产品中加入一定的图形操作功能，以减轻CPU的负担。其中，1991年S3 Graphics推出的“S3 86C911”因为可以绘制字符、基本2D图形和矩形，正式开启了2D图形硬件加速时代。此后，随着2D加速的迅速普及，1995年，几乎所有的显卡都具备了这一功能，并开始配备大容量高性能显存。同时，2D图形接口GDI、DirectFB等。也相继出现，相关标准沿用至今。然而，由于技术标准和迭代不能满足行业的发展需求，2D图形加速卡迅速繁荣和衰落。比如索尼PS等游戏机已经在3D游戏上占了先机，吸引了大量用户。于是，1994年，3DLabs进一步发布了首款面向PC的3D图形加速芯片Glint 300SX，支持高斯着色、深度缓冲、反走样、Alpha混合等特性，开启了显卡的3D加速时代。随后，许多显卡厂商都推出了3D加速显卡，包括Nvidia的NV1、S3的Virge3D、PowerVR的PCX1等。但是现阶段大部分显卡还没有实现统一的API标准，加速功能也不一样。
ATI 3D Rage Pro来源：Techspot正面临这个行业发展的痛点。广泛采用微软的Direct3D、OpenGL等通用API，有效解决了接口问题。同时，为了应对3D图形处理中的架构问题，“渲染流水线”的概念开始出现，使得多边形转换和光源处理等功能开始加入到显卡中。这也为消费市场的发展打开了空间。1995年，3DFX发布了消费领域历史上第一款3D图形加速卡Voodoo，Nvidia和ATI迅速跟进发布了TNT系列和Rage系列显卡。这些产品从硬件上实现了Z缓存和双缓存，可以进行栅格化等操作，最终将CPU从繁重的像素填充任务中解放出来。但是这些产品技术还不太成熟，比如顶点变换必须在CPU中完成，栅格化后的像素操作受到限制。1999年，随着显卡处理能力的快速提升，NVIDIA在推出GeForce 256芯片时正式提出了GPU的概念。GeForce 256集成了关键硬件变换和光照(TL)、立方体环境纹理贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸贴图、双纹理四像素256位渲染引擎等功能，并兼容DirectX和OpenGL。被称为世界上第一个GPU。实际上，GeForce 256将显示核心与CPU并列，成为电脑中的两个计算核心，大大降低了对CPU的依赖。不难发现，在GPU概念诞生的近20年前，“前GPU”时期的技术路线从图形显示、2D加速、3D加速逐渐迭代到固定流水线。同时，在这一创新过程中，许多玩家，如S3、ATI、AMD、Nvidia、3DFX等。竞争激烈，一度形成“百家争鸣”的局面，共同推动了图形处理芯片的快速迭代和进化，为行业的后续发展奠定了基础。比如顶点着色器和像素着色器的引入，大大提高了GPU的可编程性，后来也推动了GPU的代际革命。英伟达推出的GPU可谓是各种架构路线关键技术的集大成者，因此能够在竞争中脱颖而出，一飞冲天。02黄金时代：千年之交，随着计算机行业的快速发展和GPU技术的成熟，图形计算第一次进入了“黄金时代”。与此同时，各路玩家的激烈竞争也促使市场格局被数次重塑。其中3DFX曾因推出消费级Voodoo 3D加速卡而引领GPU市场。但是英伟达用自创的四边形成像(QTM)技术打造的NV1和NV2，因为蔑视主流标准而失败。但英伟达再接再厉，陆续推出RIVA、TNT系列、GeForce 256等产品，最终击败3DFX占据市场主流地位，并于2000年买断其知识产权。一些中小厂商无力应对行业竞争，选择淡出显卡市场。经过这一轮的行业洗牌，Nvidia开始在GPU电路上显露锋芒，剩下的主要对手是ATI。为了与英伟达竞争，ATI在2000年推出了镭龙品牌，从而开启了独立GPU领域的两强争霸。次年，微软发布了DirectX 8.0，其中包含新的着色器模型1.0标准。由于遵循该接口标准的GPU具有顶点和像素的可编程性，微软开始主导图形硬件标准，而TL硬件逐渐被抛弃。为了抢占先机，Nvidia迅速发布了首款支持DX8.0的GeForce 3，然而ATI也毫不示弱，随即推出了首款支持DX8.1的镭龙8500，可以说在微软DX接口标准的辅助下，Nvidia与ATI在当时的竞争具有开创性的意义。因为这一时期确立的GPU编程思想一直延续至今，不仅深入到工程领域改善人们的日常生活，还创造了许多计算机科学的新领域，如光照模拟、人体动画、通用计算等。但是这一代GPU还没有实现支持像素级编程的能力，也就是碎片编程，而是市场力量的游戏
随后，微软重新选择ATI作为下一代主机的GPU供应商。
为了抗衡ATI和微软，Nvidia迅速推出了突破性的、覆盖高、中、低端的GeForce 4系列产品，其中GeForce4 MX440长期以来一直是低端显卡的性能标杆。但英伟达没想到的是，ATI很快就祭出了“杀手锏”R300 GPU，性能接近英伟达同类产品的两倍。从此，措手不及的ATI和Nvidia平起平坐。鉴于ATI带来的竞争压力，Nvidia迅速开发了下一代产品：GeForce FX 5800Ultra。但由于过于仓促，0.13微米工艺不成熟，功耗、发热、噪音过大，这款GPU一度是英伟达最失败的产品。即便如此，随着NVIDIA和ATI的激烈竞争，GPU的可编程性已经达到很高的水平，这使得行业革命的时机逐渐成熟。在SIGGRAPH 2003大会上，许多业界领袖开始讨论利用GPU进行各种通用运算的思路和实验模型，从而为GPGPU的快速发展奠定了基础。随后的三年，GPU中不同着色单元的原始设计被统一的通用流处理器所取代，极大地释放了GPU的计算能力，甚至成为现代异构计算的核心。其中英伟达的GeForce FX系列和ATI镭龙9700是通用GPU的开创者，都具备顶点编程和片段编程能力。与此同时，2004年，Nvidia痛定思痛，推出了全新的GeFroce 6800Ultra，凭借出色的产品性能再次夺回了GPU老大的位置。但值得注意的是，重要原因是ATI同期推出的X800性能一流，但不支持最新的DX。这无异于“缺胳膊少腿”。此外，双方的较量还延伸到了GPU架构上。2005年，ATI推出了具有“统一渲染”架构的Xenos，并将其应用于与微软合作的游戏主机Xbox 360。然而，英伟达随后发布的GeForce 8800 GTX在业界产生了真正的影响：它不仅是第一款采用“统一渲染”架构的桌面GPU，而且影响了后代产品，成为划时代的产品。到2006年，Nvidia还将GeFroce7800GTX的核心频率提高了25%，实现了超过20%的性能提升。然后ATI推出了GPU——radeonx 1950 xtx，DX9时代最强的单核GPU，采用GDDR4内存。然而这也成为了ATI GPU最后的辉煌。当时AMD为了整合CPU和GPU业务，实现“两轴联动”，斥资54亿美元收购ATI。但收购完成后，AMD的重心迅速转移到低端市场，导致产品性能逐渐落后于英伟达。结果英伟达牢牢控制了GPU的高端市场，AMD的产品一度成为性价比的代名词。经过几年的激烈竞争，GPU二人组“一统江湖”。03摩登时代：“双颖”和AMD“瓜分世界”将近十五年。随着R & amp半导体巨头在GPU领域投入的d和资本，行业开始出现“马太效应”，设置了很高的技术壁垒。从2006年开始，Nvidia的GPU架构每两年更新一次，带来了更优秀的计算单元和API的适应性，逐渐掌握了更多高端的图形技术。此外，同年Nvidia还推出了CUDA编程软件，使GPU打破了图形语言的限制，成为真正的并行数据处理超级加速器。2011年，特斯拉GPU计算卡发布，标志着Nvidia正式将GPU产品线剥离出来用于计算，逐渐取代CPU成为通用计算和超级计算机领域的主角。然而，英伟达的软硬件技术发展之路并非一帆风顺。比如2010年，Nvidia发布了全新的GPU架构Fermi及相关产品，但再次出现了高功耗、高发热等致命问题。其中，以费米架构为核心的GeForceGTX 480因其巨大的功耗和发热量而“举世闻名”。据说有人用GTX 480煮鸡蛋。然而，技术研发；d和探索往往是“福与祸”，英伟达在战略轨道和技术路线选择上也有过辉煌的时刻。2016年以来，先后推出内置150亿晶体管的特斯拉P100和张量单元的特斯拉V100，助力人工智能时代加速到来。
此后，英伟达继续突飞猛进，推出了多款针对不同领域的GPU核心架构，包括Pascal、Volta等。其中，2018年，英伟达发布了新的图灵架构，以及支持光线追踪技术(RTX)的游戏和专业显卡。这种架构被CEO黄仁勋称为GPU近20年来最大的创新，关键的特点是加入了光线追踪技术。2020年，针对人工智能、高性能计算和大数据领域，英伟达顺势而为，再次推出性能卓越的Ampere架构。如今，经过多年的努力和积累，Nvidia已经为各个领域打造了几条核心产品线，包括GeForce、Quadro、Tesla和Tegra等。
英伟达GeForce GTX 1060(左)和AMD镭龙RX 580(右)作为英伟达的主要竞争对手，AMD在吃ATI的时候因为巨额债务而锒铛入狱。然而，由于CPU和GPU的竞争，AMD遇到了巨大的困难和挑战。鉴于此，英伟达甚至放缓了产品升级的速度。比如2008年发布的9800GTX，相比上一代没有实质性的性能提升。趁着这个机会，AMD当年推出了高性能的RV770，成为其极具竞争力的GPU产品，而主打性价比的HD4850则迫使Nvidia GeForce 9800GTX一夜降价千元。但没过多久，在Nvidia覆盖高中低端的多维度打压和持续冲击下，AMD再次跌入谷底。后来AMD在与英伟达的竞争中持续多年处于劣势。直到2019年前后，随着RDNA架构显卡测试成功，以及先进技术的重大突破，AMD实现了业绩的持续飘红和市值的大幅攀升。第二年，AMD趁热打铁。除了发布锐龙5000系列CPU，还推出了镭龙6000系列GPU，再次震惊业界。某种程度上，AMD的表现追平了与英伟达多年的差距，再次成为行业老大。自此，作为“全球唯一能够同时提供高性能GPU、CPU、独立GPU和集成GPU的半导体企业”，AMD逐渐实现了领先业界的一些技术迭代，从而让“双轴联动”的早期梦想得以实现。此外，作为多年来全球最大的半导体厂商，英特尔对独立GPU一直是渴望和不服输的。其实英特尔进军GPU最早可以追溯到1998年的i740，但由于性能较弱，更新速度较慢，一直没有大的起色。进入酷睿I时代后，英特尔通过将酷睿显卡与CPU捆绑，利用CPU巨大的市场份额，确立了其在集成GPU领域的垄断地位。与此同时，尽管由于不确定的战略投资和其他因素导致了几次失败，但英特尔从未放弃开发独立的GPU。比如2020年，英特尔在其架构日重新推出Xe GPU架构，向高性能独立显卡领域拓展。目前，在各大行业巨头的激烈竞争下，全球GPU已经进入技术进化和寡头垄断市场格局的“现代”。在传统GPU市场，英伟达、AMD、Intel的营收几乎可以代表整个行业的营收。其中独立显卡领域主要由英伟达和AMD控制，集成显卡领域由英特尔和AMD控制。就整个市场而言，根据研究机构JPR的数据，2021年，英特尔在核心GPU的市场份额为68%，而英伟达和AMD的市场份额在15%左右。但值得注意的是，在强有力的政策和市场推动下，中国GPU企业正在蓬勃发展。同时，他们在硬件和软件方面都在进攻，未来可能会在全球市场上占据一席之地。结语总的来说，近三四十年来，全球GPU技术路线从早期的图形显示、2D加速、3D加速逐渐迭代到固定流水线、统一渲染、通用计算，市场格局也从百家争鸣演变为三分天下。如今，随着大数据和人工智能时代的到来，人类需要处理的数据、图形和信息量呈几何级数增长，但半导体技术的小型化已经趋于物理极限，性能提升面临瓶颈。为了应对这些新情况和行业的海量需求，GPU正在越来越多的高科技领域发挥重要作用。至于未来，GPU的作用如何发挥，相关技术和市场格局如何演变，还有待观察。(校对/校对)