GPU底层技术、全球市场格局分析3 人工智能机器学习深度学习算

1.全球GPU市场规模和各子市场趋势
2020年全球GPU市场价值预计为254.1亿美元，预计2027年将达到1853.1亿美元，年平均增速为32.82%。按GPU的类型进行划分，市场可以细分为独立、集成和混合。2019年，集成GPU占GPU市场的主导地位，但是由于混合GPU同时拥有集成和专用GPU的能力，所以混合细分市场预计实现最高复合增长率。
按GPU的设备进行划分，市场可细分为计算机、平板电脑、智能手机、游戏机、电视、其他。就收入而言，智能手机细分市场占比最大，在未来也将保持这一趋势。但是，由于医疗等其他设备中对小型GPU的需求不断增加，预计未来的年复合增长率将最高。
按GPU的行业进行划分，市场可细分为电子、IT与电信、国防与情报、媒体与娱乐、汽车、其他。由于GPU在设计和工程应用中的广泛使用，预计汽车细分行业的年复合增长率最高。
按GPU的地理区域划分，市场可细分为北美、欧洲、亚太和其他地区。亚太地区在2019年主导了全球GPU市场，预计在整个预测期内将保持主导地位。

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▲全球GPU市场规模预测

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▲2015-2025全球前三GPU供应商营收总和
2.全球GPU市场竞争格局
全球GPU已经进入了寡头垄断的格局。在传统GPU市场中，排名前三的Nvidia、AMD、Intel的营收几乎可以代表整个GPU行业收入。英伟达的收入占56%、AMD占26%、英特尔占18%。
在手机和平板GPU方面，联发科、海思麒麟、三星Exynos的GPU设计主要基于公版ARM MaliGPU或PowerVR微架构。高通骁龙Adreno和苹果A系列采用自研GPU微架构。
2019Q2，ARM、高通、苹果、Imagination科技、英特尔是全球智能手机和平板的前五大GPU供应商。同期ARM Mali在以上五大GPU供应商中占43%的市场份额，高通Adreno占36%的份额，苹果占12%的份额。
3.全球GPU龙头：英伟达
英伟达公司成立于1993年，于1999年率先推出“GPU”的图形解决方案。公司主要设计游戏和专业市场的GPU，移动计算和自动驾驶汽车的SoC，是GPU计算领域公认的全球领导者。它主要的GPU产线“GeForce”和AMD的“Radeon”形成直接竞争。同时，英伟达为了拓展移动游戏平台，推出了掌机Shield、Shield平板、Shield电视盒子和云游戏服务GeForce Now。目前，公司已经完成了由芯片供应商向计算平台的转型。
英伟达的四大增长驱动力分别是游戏业务、数据中心业务、专业视觉业务、自动驾驶业务，各业务的代表性GPU方案分别是GeForce，DGX、EGX、HGX，Quadro、AGX。
英伟达2021财年营收167亿美元，其中游戏、数据中心、专业视觉、自动驾驶业务在2020财年分别贡献了营收的47%、40%、6%、3%。公司继2014年毛利率突破50%后，于2021财年毛利率突破60%。
英伟达的游戏业务：由GeForce和Shield组成。其中Shield面向移动端和云，GeForce面向PC。游戏笔记本和云游戏是公司拓展市场的2大方向。GeForce是英伟达游戏业务的核心。GeForce是全球最大的游戏平台，拥有超过2亿名玩家。在PC游戏领域，英伟达的营收是其他主要GPU供应商的三倍多。GeForce已经来到了RTX30系列，采用第二代NVIDIA RTX架构-NVIDIA安培架构，搭载全新的RT Core、Tensor Core及流式多处理器，拥有RTX游戏、DLSS、G-SYNC、DirectX12等先进技术，可带来逼真的光线追踪效果和先进的AI性能。
除了PC游戏市场，英伟达也向合作伙伴--任天堂Switch主机提供定制版Tegra SoC。作为合作的一部分，Shield主机可以畅享任天堂的游戏，GameStream串流游戏和热门游戏，实现4KHDR画质，支持百度DuerOS对话式人工智能。
英伟达的数据中心业务的技术根源是CUDA（统一计算设备架构）。CUDA首次推出于2006年的G80核心，隶属于通用并行计算架构，创造了GPGPU。在“安培”时代，CUDA核心已经进化到了8.0，被运用在几乎所有的英伟达产品线。
CUDA兼容DirectCompute、OpenCL等计算接口。与Direct3D、OpenGL等高级图形API相比，CUDA可以使开发者更容易使用GPU资源。当前，CUDA在广义上既代表GPU的硬件平台又代表GPU的软件平台。
在硬件平台方面，CUDA包含了CUDA指令集以及GPU内部的并行计算引擎。GPU平台的矢量运算如INT、FP32、FP64都由CUDA承担。开发人员可以使用C语言和Fortran语言为CUDA编写程序。
在软件平台方面，基于CUDA的CUDA-X加速库、工具和科技集合，向上对接不同的行业应用需求。在英伟达的软件栈体系中，分为CUDA-X AI和CUDA-X HPC，分别面向AI和HPC两大领域，可以在人工智能和高性能计算方面提供远超其他竞品的性能。CUDA-X的开发者已经超过100万。
英伟达数据中心的产品包括适用于AI的DGX系统，适用于边缘计算的EGX平台，适用于超算的HGX平台、适用于数据处理的DPU、简化深度学习，机器学习，高性能计算的NGC目录。相关的GPU加速器有采用安培架构的A100、A40，采用图灵架构的T4、RTX6000、RTX8000，采用伏特架构的V100。
过去5个财年中，英伟达数据中心的营收从8.3亿美元上升至66.96亿美元，年复合增速69%。同时，公司的注册开发者超过200万，与主要的云供应商如谷歌、腾讯、阿里建立了供应关系，世界500强超算中的份额从6%上升至70%。
英伟达专业视觉业务主要由Quadro产品线组成。Quadro在GeForce的基础上加强了NVLink、GPU的通用计算性能和显存容量，拥有Iray、Omniverse平台、材质定义语言等特有技术。Quadro被广泛应用在台式工作站、笔记本电脑、EGX服务器、虚拟工作空间、云端、定制化方案中。英伟达Quadro方案有超过50种应用、4000万设计用户和2000万企业用户，并正在不断解锁新市场。
在过去的5个财年，英伟达专业视觉的营收从8.35亿美元上升至10.53亿美元，年复合增速6%。

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▲英伟达专业视觉GPU加速合作伙伴
英伟达的汽车产品包括相关驾驶软件、驾驶基础设计、AGX平台，提供训练、模拟、智能驾驶舱体验、高清地图和定位等解决方案。在绝对性能方面，搭载4颗Drive AGX Origin的蔚来ADAM超算平台支持L4以上自动驾驶，超过7个特斯拉FSD算力总和。
不同于特斯拉自动驾驶追求软硬件的高度契合，英伟达的方案更追求开放性。公司在汽车领域的合作伙伴以软件服务和轿车居多，分别达到了76家和42家。同时，公司与大众、丰田、本田、奔驰、宝马、奥迪、沃尔沃、马牌、滴滴、采埃孚、蔚来、小鹏、图森等世界知名公司建立了强力的生态。
在过去的5个财年，英伟达自动驾驶的营收从4.87亿美元上升至5.36亿美元，年复合增速3%。
英伟达并购ARM：2020年9月13日，NVIDIA宣布以400亿美元收购ARM。本次收购意义可以细分为以下5个方面：

创造AI时代的世界级计算公司，将英伟达领先的AI计算平台和ARM庞大的CPU生态相结合；
通过英伟达在移动端和PC等大型终端市场的科技拓展ARM的IP授权组合；
加速ARM的服务器CPU、数据中心、边缘AI、IoT发展；
将英伟达计算平台的开发者由200万提升至超过1500万；
并购可以立即增加英伟达的非GAAP毛利率和非GAAP每股收益；

合并后的英伟达将把计算从云、智能手机、PC、自动驾驶车和机器人技术推进到了边缘物联网，将AI计算拓展到全球，在拓展大规模、高增长市场的同时加速创新。
4.全球GPU先驱：AMD
AMD是全球唯一可以同时提供高性能GPU和CPU的企业。AMD的显卡来源于2006年并购的ATI科技。在这之后的4年中，AMD继续使用ATI作为显卡品牌。直到2010年，AMD才抛弃原ATI的品牌命名方式。
目前，AMD同时提供独立GPU和集成GPU，其集成GPU主要运用在Ryzen APU、嵌入式、半定制平台中，独立GPU分为Radeon和Instinct系列，主要用于游戏、专业视觉、服务器等应用。
过去六年，AMD的计算和图形收入的营收由18.05亿美元上升至64.32亿美元，年复合增速29%。
未来五年，AMD计划成为高性能计算的领导者，提供颠覆性的CPU和GPU方案。
AMD的集成GPU主要被运用在台式机和笔记本的APU产品中，和CPU组成异构运算单元。台式和笔记本APU的GPU部份共用微架构和核心技术，二者GPU的主要差异在于TDP和处理单元的数量，台式强于笔记本。
【GPU底层技术、全球市场格局分析3】“Renior”APU的GPU继续使用Vega微架构，但受益于7纳米制程，每个处理单元效能显著提升。
7纳米Vega的提升包括：数据网络翻倍、优化低功耗状态转换、25%主频提升、77%存储位宽提升。这些提升带来了在保持15W功耗不变的前提下，每个计算单元59%的性能提升、1.79TFLOPS的32位浮点峰值吞吐。
在3DMark Time Spy（DX12）的跑分中，7纳米的Ryzen 4800U的GPU表现超过10纳米i7-1065G7，是14纳米i7-10710U的2倍以上。
AMD的Radeon系列游戏独立GPU按微架构推出时间依次递减可以分为RX6000系列、RX5000系列、Radeon 7、 RX500系列。以上四大系列中，除RX500系列外均采用台积电7纳米制程。
2020年11月推出的RDNA2微架构相较于前代RDNA绝对性能最高提升一倍，能效提高54%，支持DirectX12 Ultimate，硬件光线追踪和可变速率着色器等先进技术。搭载16GBGDDR6显存和128MB InfinityCache高速缓存的RX 6900XT的游戏性能接近英伟达的RTX 3090。
为了发挥AMD CPU和GPU的协同效应，Radeon拥有AMD SmartAccess Memory技术，锐龙CPU和显卡之间能实现更出色的通信。RX6800系列显卡在部分游戏中4K画质性能额外提升最高可达7%。
2022年前，AMD将基于更先进的制程打造RDNA3微架构，进一步强化光追等计算表现。
除了传统的BGA显存封装，AMD还积极运用HBM系列显存。在Radeon7中，16GB的HBM2显存拥有1TB/S的带宽，超过同期Titan RTX 50%。
AMD的数据中心GPU业务由Radeon Instinct加速器系列、以客户为核心的数据中心解决方案和ROCm组成。AMD的主要合作伙伴包括戴尔、惠普等OEM，同时AMD也向微软AZURE和亚马逊网络服务提供视觉云解决方案。
ROCm是全球首个针对加速式计算且不限定编程语言的超大规模开源平台，遵循UNIX的选择哲学、极简主义以及针对GPU计算的模块化软件开发。
ROCm适合大规模计算，支持多路GPU，有丰富的系统运行库，包括框架、库、编程模型、互联和Linux Kernel上游支持，提供各种重要功能来支持大规模应用、编译器和语言运行库的开发。
AMD正与美国能源部、橡树岭国家实验室和Cray公司合作，使用EPYC（霄龙）CPU、Radeon Instinct GPU和ROCm打造超过150亿亿次FLOPS的全球最快超算平台。

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▲AMD ROCm开源软件生态
Radeon Instinct MI 100加速器采用专注计算的CDNA微架构，在计算和连接方面实现了巨大飞跃，与AMD上一代加速器相比，高性能计算工作负载（FP32矩阵）性能提升近3.5倍，而人工智能工作负载（FP16）性能提升近7倍。InstinctMI 100在FP32和FP64的峰值TFLOPS中超越了同期英伟达安培A100，同时功耗比后者低100瓦。
为了满足多路GPU的互联通讯需求，AMD研发了InfinityFabric技术。Infinity Fabric拥有先进的平台连接性和可拓展性，最多支持4路GPU互联。P2P带宽是PCIe 4.0的2倍，四GPU集群的P2P带宽最高可达552GB/s。
未来，AMD将基于更先进的制程打造CDNA2微架构，进入百亿亿级时代。
AMD的其他独立GPU主要包括嵌入式、半定制化、Radeon Pro工作站显卡。半定制化独立显卡主要倍运用在索尼、微软的本世代和次世代主机中。如今，AMD的技术存在于2.2亿个家庭畅享游戏和视频娱乐时所用设备的核心。
嵌入式GPU的特点包括卓越的图形性能、多屏显示、外形紧凑、高能效、长期供货。嵌入式GPU分为超高性能嵌入式GPU、高性能嵌入式GPU、高能效嵌入式GPU，它们主要使用14纳米的GCN 1.4北极星微架构，TDP覆盖20W-135W范围。
Radeon Pro系列显卡被广泛应用于建筑工程、设计制造、媒体娱乐等领域，拥有AMD远程工作站、AMD Eyefinity多屏显示技术、AMD Radeon ProRender等技术。Radeon Pro系列采用Vega微架构，7或14纳米制程，直接竞争对手是英伟达的Quadro系列。Radeon Pro移动和台式工作站的合作伙伴包括苹果、戴尔、惠普等。
5.英特尔：全球GPU追赶者
英特尔是全球最大的PC GPU供应商，也是PC和服务器显卡唯一的IDM厂商。英特尔的GPU最早可以追溯到1998年的i740，但是由于羸弱的性能和缓慢的更新速度，一直没有非常大的起色。进入Core i时代后，英特尔通过将核芯显卡和CPU进行捆绑销售，利用CPU的庞大市场份额，确立了公司在集成GPU领域的寡头垄断地位，在此过程中AMD的APU一直是酷睿的直接竞争对手。
2020年，英特尔推出了第12代GPGPU，采用全新的Xe微架构和10纳米Super Fin制程。相较于第11代核显，Xe-LP在保持电压不变的前提下，大幅提升主频，能效显著提高。搭载Xe-LP的i7 1185G7在GPU性能方面已经超过同期AMD的Vega核显和英伟达的MX系列独显。
Xe系列可以细分为，集成/低功耗的Xe-LP、娱乐/游戏的Xe-HPG、数据中心/高性能的Xe-HP、高性能计算的Xe-HPC。
目前，Xe-LP的集成版本已经被第11代酷睿所采用。Xe-LP的移动独立GPU版本DG1和服务器独立GPU版本SG1也已发布。独显版在核显版的基础上进一步提升主频，并加入了128位4GB LPDDR4X-4266独立显存，单精度浮点算力提升15%。
英特尔的集成GPU在形式上表现为核芯显卡。核芯显卡使用系统DRAM作为非独立显存，通过处理器内部的环状总线与CPU连接，负责处理游戏、视频娱乐等图像负载。
英特尔Xe核显借助10纳米SuperFin的优势，将处理单元最高提升至96个，相较于Icelake的64个提升了50%，并且将连接CPU和GPU的总线带宽提升一倍，独立最终缓存（LLC）提高50%，支持最高86GB/s的存储带宽。以上这些提升使i7-1185G7的3DMark跑分较前代i7-1065G7提升接近一倍，超过AMD的R74800U和同期英伟达的MX350。
Xe核显的显示引擎和媒体引擎也都得到加强。接口方面，内部支持双eDP，外部支持DP1.4、HDMI2.0、雷电4、USB4 Type-C。画质方面，支持8K、HDR10、12比特BT2020色域、360赫兹刷新率等。
英特尔Xe核心显卡和CPU经由自家One API驱动中间层框架和上层应用。英特尔One API解决了编码模型在不同微架构间的壁垒，最大化跨平台表现和最小化开发成本。
目前，锐炬Xe MAX是第一款基于英特尔 Xe 架构的面向轻薄型笔记本电脑的GPU。锐炬Xe MAX在Xe集成GPU的基础上增加了4GBLPDDR4X-4266的独立显存，TDP 25W，峰值主频1650MHz，单精度浮点性能2.46TFLOPs。锐炬Xe MAX可以和11代酷睿处理器、锐炬Xe GPU同时工作。借助英特尔Deep Link技术，获得具有强大性能和经过功耗优化的集成系统，以改进创造力和游戏体验。
目前，英特尔服务器GPU在Xe核显的基础上，TDP提升到23W，增加了8GB LPDDR4的独立显存，支持高密度、低延迟的安卓云游戏和高密度媒体转码/编码，以实现实时的OTT视频直播。同时，英特尔服务器GPU支持2颗、4颗独立GPU的聚合，成倍提高性能。
未来，英特尔还将推出面向游戏和高性能桌面的Xe HPG产品线，增加了光线追踪等硬件支持，采用传统封装，外包生产。英特尔服务器GPU将使用Xe HPC、Xe HP微架构，采用2.5D和3D先进封装，10纳米SuperFin及更先进自家或外包工艺。
6.ARM Mali：全球GPU IP巨头
ARM是全球最大的半导体IP提供商。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。2019Q2，全球近43%的手机和平板GPU由Mali驱动。2020第四季度，ARM半导体合作伙伴基于ARM技术的芯片出货量达到67亿颗，再创历史新高，超过其他所有流行的CPU指令集架构—X86、ARC、Power、MIPS的总和。
国产SoC中，有95%是基于ARM处理器技术，ARM中国授权客户超过150家，基于ARM架构的国产芯片出货量已经超过184亿。
ARM的Mali GPU按性能可以分为3大类，分别是高性能、主流、高能效。
Arm Mali-G78 GPU是用于高端设备的第二代基于Valhall架构的GPU。Mali-G78是性能最高的ArmGPU，可支持复杂的应用，例如适用于Vulkan和OpenCL等所有最新API的游戏图形和机器学习（ML）。
Mali-G78与上一代设备相比，GPU性能提高了25％，并增强了设备上的ML功能，从而有助于将高度复杂的游戏带入移动设备。Mali-G78最多支持24个内核，并包含异步顶级功能，可确保性能有效地分布在各个内核上，从而使图形运行更加流畅。全新执行引擎中的新型融合乘加（FMA）单元可进一步降低30%的单元能耗。
在GFXBench Aztec Ruin的跑分中，使用台积电5纳米工艺，搭载24个Mali-G78内核的麒麟9000 SoCGPU的帧数强于骁龙865的Adreno 650，但仍落后于苹果A14。
7.全球GPU巨头：Imagination
Imagination Technologies是一家总部在英国，专注于半导体和相关知识产权许可，销售PowerVR移动图形处理器，MIPS嵌入式微处理器和消费电子产品。公司还提供无线基带处理，网络，数字信号处理器，视频和音频硬件，IP语音软件，云计算，以及芯片和系统设计服务。2017年，董事会宣布公司被中资的Canyon Bridge收购。
Imagination在GPU领域历史悠久，在其超过25年的历史中，Imagination先后推出过多代GPU产品，已积累超过1500项GPU专利，曾为苹果供应图像处理器（GPU），在图像处理器（GPU）领域与高通、ARM三分天下，曾占GPU市场大约占据三分之一的份额，在汽车领域更是达到43%。带有Imagination IP的芯片产品累计出货量已超过110亿。
Imagination的IP包括图形处理器和视觉与人工智能2类。公司Power VR产品被广泛应用于移动设备（智能手机、平板）、汽车（仪表、信息娱乐、辅助驾驶）、沉浸式体验（AR/VR）、消费电子（电视、机顶盒）。
根据Imagination的GPU路线图，在A系列GPU性能最高提升2.5倍之后，B系列到D系列GPU的年复合增速在30%左右。2021年的C系列GPU将首次加入L4级别的光线追踪，从硬件层面支持一致性分类的层次包围体（BVH）和复杂光线处理，相比目前英伟达和AMD的L3级别光线追踪方案可显著提升能效，实现更好的用户体验。
2020年10月，Imagination推出了全新的IMG B系列GPU，这是公司第一个包含新多核架构的GPU IP系列，也是首次采用RISC-V，可提供最高的性能密度。得益于多核架构和Imagination图像压缩技（IMGIC），B系列相比A系列，功耗降低30%，带宽降低35%、面积缩减25%，AI算力达到24 TOPS，且填充率比竞品IP内核高2.5倍。与A系列相似，B系列GPU也支持AI协同技术，在提供图形处理功能的同时，可用备用资源来处理可编程AI等任务。
IMG B系列GPU共有IMG BXE、IMG BXM、IMG BXT、IMG BXS四种系列。其中IMG BXE面向高清显示应用，IMG BXM主打图形处理体验，IMG BXT面向高性能应用，IMG BXS面向未来汽车。
BXS系列符合ISO 26262标准，也是迄今为止所开发的最先进汽车GPU IP内核。BXS提供了一个完整的产品系列，从入门到高端，可为下一代人机界面（HMI）、UI显示、信息娱乐系统、数字驾舱、环绕视图提供解决方案。高计算能力的配置可支持自动驾驶和ADAS。
凭借核心可扩展的优势，IMG B系列适用于传统移动设备、消费类设备、物联网、微控制器、数字电视(DTV)和汽车等市场领域。IMG B系列也可扩展至桌面GPU、云端GPU服务器，且支持自动驾驶和辅助驾驶等。
8、高通Adreno：全球移动GPU先驱
高通的自研GPU Adreno源于收购的AMD移动GPU Imageon系列。早期的Adreno 100系列只有2D图形加速和有限的多媒体功能。2008年发布的Adreno 200是首款被集成到骁龙SoC中的GPU，并加入了3D硬件加速功能。
2020年12月，高通推出了搭载Adreno 660的骁龙888 SoC。Adreno 660继承了Adreno650的微架构，采用了三星5纳米LPE工艺，大幅提高主频，使图形渲染性能提高35%，能效提高20%。Adreno 660全面支持Qualcomm? Snapdragon Elite Gaming和Qualcomm? Game Quick Touch ，二者将可变速率渲染和响应速度分别提升30%和20%。
在GFXBench Aztec Ruin 1080P测试中，Adreno 660的峰值帧数追平麒麟9000，但相较苹果A14仍有近20%的差距。
9、苹果：全球移动GPU新秀
苹果的自研GPU首次出现于2017年的A11 SoC。A11的三核心GPU作为苹果的首款自研GPU，其性能超过采用Power VR GT7600+的A10 GPU 30%。其后，所有的A系列SoC的GPU均为苹果自研。
2020年，苹果推出了5纳米制程的M1芯片，该款SoC基于A14芯片，在CPU、GPU、NPU、缓存等各方面都进行了强化，用于驱动苹果的Mac产品。M1芯片的发布标志着苹果继2005年放弃IBM的PowerPC指令集转向Intel的X86指令集后的又一大PC领域转换。
采用8核GPU的M1拥有128个执行单元，可以同步运行近25000个线程，单精度浮点算力达到2.6 TFLOPs。M1 GPU的能效表现是当时同类PC中集成GPU的三倍，峰值性能最高可达其他GPU的2倍。
出品丨自主可控新鲜事
本文内容综合自方正证券、智东西等