馬點秋

英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛

最近，百度推出的“AI作畫”首款產(chǎn)品文心·一格正式上線，掀起了一陣“你說我畫”的熱潮：用戶只要輸入一段文字，就能一鍵生成各式各樣瑰麗絢爛的畫作。

不僅是“一鍵作詩”“一鍵作畫”，AI熱潮席卷之下，從“阿爾法狗”到L4級別的自動駕駛訓(xùn)練，乃至對新冠藥物的分子動力學(xué)模擬與病毒機制的分析，都離不開AI技術(shù)的助力。

然而，美國芯片巨頭英偉達8月31日公告稱，其被美國政府要求，限制向中國出口用于加速AI訓(xùn)練任務(wù)的最新兩代旗艦GPU計算芯片—A100和H100。另一芯片巨頭AMD的數(shù)據(jù)中心級GPU—MI100與MI200，也同樣遭到限制。

那么，AI加速芯片和GPU到底是什么，為何如此重要？

英偉達帶動GPU發(fā)展

GPU即圖形處理器，由英偉達在1999年發(fā)布GeForce 256時提出，一直沿用至今。對應(yīng)于CPU“中央處理器”的名稱，GPU的雛形“圖形加速卡”在上世紀80年代的雅達利2600游戲機上誕生之初，便是為了彌補CPU進行圖形處理時遇到的性能瓶頸而生。

CPU的設(shè)計理念基于馮·諾依曼架構(gòu)，經(jīng)過內(nèi)存讀取—轉(zhuǎn)譯—運算—輸出等步驟處理數(shù)據(jù)，以低延遲為導(dǎo)向，專為串行處理而優(yōu)化。這樣的設(shè)計理念讓CPU中的核心數(shù)較少，且絕大多數(shù)的晶體管都用在了控制電路和高速緩存上，用來完成實際運算的晶體管只占少數(shù)。這就限制了其進行大規(guī)模并行計算的性能。

而在3D圖形運算中，往往需要對模型的每一個頂點進行同樣的坐標(biāo)變換，或是對每一個頂點按照同樣的光照模型計算顏色值—這樣的運算雖然簡單，但需要計算的次數(shù)非常龐大，讓早期的單核CPU叫苦不迭，專為圖形計算進行優(yōu)化的GPU設(shè)計理念就此誕生。

與CPU努力降低延遲不同，GPU以數(shù)據(jù)吞吐量為導(dǎo)向，由成千上萬個更小、更高效的“小核”構(gòu)成，專為處理并行任務(wù)而設(shè)計。形象地說，CPU的核心就像餐館里的“大廚”，負責(zé)各類復(fù)雜任務(wù)的處理和調(diào)配;而GPU的核心就像“小工”，以人海戰(zhàn)術(shù)高效處理各類簡單任務(wù)。兩者各司其職，構(gòu)成了如今高性能計算機的基礎(chǔ)。

GPU的發(fā)展史，基本上就是英偉達的發(fā)家史。

1993年，祖籍中國浙江、出生于寶島臺灣的黃仁勛剛及而立之年。他在斯坦福大學(xué)求學(xué)期間，為了追求喜歡的女孩，提出了30歲會成立自己公司的承諾。隨后女友變成了妻子，黃仁勛也如約在1993年8月與另外兩個伙伴共同創(chuàng)立了英偉達，并擔(dān)任CEO。

CPU的核心就像餐館里的“大廚”，而GPU的核心就像“小工”，以人海戰(zhàn)術(shù)高效處理各類簡單任務(wù)。

2021 ChinaJoyAMD展臺

他不知道的是，這家公司的市值將在2022年初超越臺積電和三星，成為全球市值最高的半導(dǎo)體公司，相當(dāng)于4個英特爾或高通。而作為芯片公司中為數(shù)不多白手起家的企業(yè)，英偉達的起步無疑是極為艱難的。黃仁勛在一次演講中說：“創(chuàng)立公司時，我清楚地記得當(dāng)時兜里只有200美元，而市場上當(dāng)時已有250個競爭對手。”

碰壁后，迎合市場主流

彼時，圖形顯示領(lǐng)域的大哥ATI（后來被AMD收購）已成立多年，而諸如3dfx等后起之秀也層出不窮。眾多風(fēng)投公司判斷，圖形顯示市場已基本飽和，再成立類似公司前景不明朗。

然而，初出茅廬的英偉達潛心打磨兩年，還是推出了旗下第一款面向游戲主機的顯示芯片NV1。NV1集成了當(dāng)時最大最全的游戲方案，不僅同時支持2D、3D處理能力，甚至還集成了音頻處理功能，為當(dāng)時競爭趨近白熱化的游戲主機市場，帶來了“保姆級”一站式解決方案，理論上應(yīng)該成為某款傳奇游戲主機的心臟，來大放異彩。

2022年世界人工智能大會

一款成功的硬件產(chǎn)品，首先要符合市場主流的技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范。

然而，NV1為了用更少的計算量實現(xiàn)更光滑的3D效果，選擇了方形繪圖的渲染架構(gòu)。不巧的是，在NV1發(fā)布的同一年，微軟發(fā)布了沿用至今的DirectX API圖形標(biāo)準的前身—Direct3D，加上此前的OpenGL（用于渲染2D、3D矢量圖形的應(yīng)用程序編程接口）都采用了三角形繪圖渲染，這意味著NV1與業(yè)界的通用標(biāo)準完全無法兼容，導(dǎo)致銷量冷淡。

“叫好不叫座”的NV1，讓英偉達出師不利，賬面資金一度僅夠公司維持運轉(zhuǎn)30天。“記住，公司距離倒閉只有30天?！边@也成為了黃仁勛激勵員工不能松懈的口頭禪。

公司陷入絕境之時，好在位于日本的世嘉游戲公司看上了英偉達的技術(shù)實力，其采購了NV1芯片用于自家的土星游戲主機上，并隨后要求英偉達為其開發(fā)下一代游戲主機DC的顯示芯片。

雖然這一合作再次因為英偉達堅持方形顯示理念而與世嘉產(chǎn)生分歧，最終導(dǎo)致NV2芯片流產(chǎn)，但彼時財大氣粗的世嘉并未收回700萬美元的開發(fā)資金，這給了英偉達至關(guān)重要的一次機會。前兩次失敗的經(jīng)驗也讓英偉達意識到，一款成功的硬件產(chǎn)品，首先要符合市場主流的技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范。

接下來，英偉達在1997年推出的采用NV3芯片的riva128顯卡，便采用了三角形繪圖渲染，并支持Direct X和OpenGL等主流應(yīng)用編程接口（API），憑借極高的性價比贏得了市場的青睞。它隨后發(fā)布的TNT與TNT2，又以低廉的價格與更新的API，擊敗了當(dāng)時顯示領(lǐng)域巨頭3dfx旗下的Voodoo系列顯卡。

終于，在1999年，英偉達以GeForce 256為名，發(fā)布了世界上第一款GPU，將原本依賴于CPU的3D計算完全轉(zhuǎn)移到顯卡上進行，并在之后的數(shù)年間開始了與ATI的爭霸之路，直至2006年，以ATI被AMD收購告終。

雖然在這之后，AMD仍在延續(xù)ATI的Radeon顯卡產(chǎn)品線，但英偉達已經(jīng)坐穩(wěn)顯卡領(lǐng)域第一的寶座。

“皮衣刀客”黃仁勛

2006年，英偉達發(fā)布了通用并行計算架構(gòu)，也就是大名鼎鼎的CUDA。其更是讓GPU除了計算3D模型外，具備了進行通用計算和編程的能力。

同年發(fā)布的8800 GTX，堪稱英偉達最經(jīng)典的顯卡產(chǎn)品之一。其不僅引入了沿用至今的流處理器概念，而且采用的Tesla架構(gòu)，更是成為了同年發(fā)售的首代AI加速卡C870的前綴，并在這之后沿用多年。

自此，英偉達就在通用計算和CUDA編程軟件平臺上越走越遠，并在2013年的AI熱潮中脫穎而出，以強于同價位CPU數(shù)倍的模型訓(xùn)練速度，與優(yōu)秀的軟件適配，讓原本僅用于游戲和建模領(lǐng)域的顯示芯片，在人工智能的賽道上一往無前。

縱觀英偉達旗下的產(chǎn)品線，可以看到其業(yè)務(wù)發(fā)展的清晰思路，如專注于游戲和個人消費領(lǐng)域的GeForce系列、專注于3D建模與渲染的Quadro系列，以及此次被限制出口的主角—專注于AI加速領(lǐng)域的Tesla系列。

有趣的是，英偉達在2020年發(fā)布Tesla系列加速卡時，因為與著名電動車品牌特斯拉“撞名”，容易產(chǎn)生不必要的誤會，而放棄這一前綴，之后的產(chǎn)品僅以采用的架構(gòu)名稱縮寫+數(shù)字方式命名，如采用安培Ampere架構(gòu)的A100，和采用赫柏Hopper架構(gòu)的H100。

GeForce與Quadro系列的最大區(qū)別，在于其提供的驅(qū)動程序不同。GeForce系列的驅(qū)動更注重游戲性能的優(yōu)化，Quadro系列則注重于對專業(yè)圖形設(shè)計與渲染軟件性能的優(yōu)化。兩者的硬件規(guī)格差距不大，更多的是軟件層面的區(qū)別。Tesla系列則不同。

首先，GPU中對于計算機常用到的浮點計算，需要由不同類型的核心來完成，主要分為FP32單精度計算核心，與FP64雙精度計算核心。同時，還有FP16的“半精度”，與最近正在推行的FP8格式，以進一步簡化AI計算所需要的精度要求，來提升效率、降低能耗。

世界上第一款GPU GeForce256

即便如此，超高精度的FP64，仍是諸多科研工作中不能忽視的計算需求。畢竟在特定領(lǐng)域，如軍工、大氣和病毒結(jié)構(gòu)分析等對計算結(jié)果精度要求高的行業(yè)，有時一兩位有效數(shù)字的差別，結(jié)果就可能謬以千里。而針對這些專業(yè)情況下所用到的計算需求，英偉達為Tesla系列芯片配備了大量的FP64計算單元。

在A100的GA100核心中，F(xiàn)P64與FP32的比例為1比2，而這一數(shù)字在如今消費級旗艦3090ti搭載的GA102核心上，僅為1比64—游戲渲染和AI任務(wù)的區(qū)別一目了然。

這也使得3090ti的FP32算力達到了45TFLOPS，但FP64僅有不到0.7TFLOPS。而A100的FP32算力雖然僅有19.5TFLOPS，但FP64算力則達到了恐怖的10TFLOPS，是3090ti的14.3倍。英偉達最近發(fā)布的下一代產(chǎn)品H100的FP64算力，甚至能達到30TFLOPS之多。

這樣精準的“刀法”，在英偉達旗下的產(chǎn)品里屢見不鮮，又因為黃仁勛每次發(fā)布會上都身著一身黑色皮夾克，他也被游戲玩家授予了“皮衣刀客”的名號。

市值跌去近六成

英偉達在8月26日向美國證監(jiān)會提交的資料中提道：“未來峰值性能與芯片I/O性能等于或大于A100的任何英偉達產(chǎn)品，以及包含這些電路的任何系統(tǒng)，都需要遵照新的許可要求?！?p>

華為MDC810自動駕駛芯片

英偉達Tesla系列芯片

這樣精準的“刀法”，在英偉達旗下的產(chǎn)品里屢見不鮮。

雖然兩天后英偉達發(fā)表聲明稱，可以在明年9月前繼續(xù)履行A100和H100的訂單，但受前一消息影響，其股價仍在5個交易日內(nèi)下跌了22%，再加上此前二季度財報低于預(yù)期帶來的波動，其市值已較去年最高點8300億美元跌去近六成。

瘦死的駱駝比馬大。近年來國產(chǎn)GPU的研發(fā)工作頻頻被提上日程，如芯動科技發(fā)布的“風(fēng)華”系列GPU，也在市場上引起不小的轟動，但其距離以英偉達為代表的世界先進水平，仍有不小的差距。

而在自動駕駛芯片領(lǐng)域，華為推出的MDC810，與“地平線”即將發(fā)布的征程6芯片，與英偉達的差距要小些。但英偉達智能駕駛芯片Orin的下一代產(chǎn)品Atlan，也憑借著1000Tops的int8算力（1TOPS代表處理器每秒鐘可進行1萬億次計算），來勢洶洶地面向市場。

盡管在今年多輪下跌行情下，英偉達的市值已跌至3500億美元左右，但其市盈率仍高達46倍。這也從側(cè)面顯示出了這家公司的潛力，以及市場對于AI產(chǎn)業(yè)未來的巨大信心。明年即將年過六十的黃仁勛，會將這艘巨輪引向何方？讓我們拭目以待。

責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com