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芯片帝國諸侯混戰(zhàn),誰將脫穎而出

—— 芯片帝國之架構(gòu)篇:英偉達GPU獨占風騷,英特爾掉隊、谷歌奮力追趕
作者: 時間:2018-09-07 來源:億歐網(wǎng) 收藏
編者按:芯片領(lǐng)域最近可謂是風起云涌,一個個科技名詞走進公眾視野,AI創(chuàng)企也在不斷吸金,用芯片燃燒著一個又一個神話;與此同時,老牌芯片廠商,英偉達、賽靈思在不斷被挑戰(zhàn)的同時,續(xù)寫自己的輝煌。

  CPU、GPU、FPGA、、賽靈思……隨著深度學(xué)習帶來的AI的興起,領(lǐng)域最近可謂是風起云涌,一個個科技名詞走進公眾視野,成為網(wǎng)紅。AI創(chuàng)企也在不斷吸金,用燃燒著一個又一個神話;與此同時,老牌廠商,、賽靈思也在不斷被挑戰(zhàn)的同時,續(xù)寫自己的輝煌。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201809/391624.htm

  芯片,作為高端制造業(yè)的“皇冠明珠”,在不斷變小、改變架構(gòu)的同時,不斷凝縮著新的科技結(jié)晶,逐漸構(gòu)建出更龐大、更精致的科技帝國。

  億歐推出“芯片帝國”系列分析稿件,從芯片的核心架構(gòu)、應(yīng)用場景、國內(nèi)外主要玩家和下游晶圓代工廠等方面呈現(xiàn)芯片業(yè)的產(chǎn)業(yè)圖景。當前AI芯片主要分為GPU、FPGA、ASIC及類腦芯片等。以下為第一篇架構(gòu)篇,從通用芯片CPU及它的創(chuàng)始者說起,梳理AI浪潮下不同的芯片架構(gòu),及它們所構(gòu)筑的科技帝國。

  和CPU:開山鼻祖,集成通用芯片、PC界老大

  芯片中,最令人熟悉的恐怕是中央處理器CPU了。作為一種超大規(guī)模的集成通用芯片,CPU可完成多種不同種類的任務(wù),在PC世界里起著大腦的作用。而CPU的誕生也開始了PC時代的巨頭——英特爾的輝煌歷史。

  英特爾是主要以研制CPU處理器的巨頭,全球最大的個人計算機零件和CPU制造商,1971年,英特爾推出了全球第一個微處理器,它引發(fā)的微處理器所帶來的計算機和互聯(lián)網(wǎng)革命,可以說改變了整個世界。

  但CPU雖統(tǒng)治了PC時代,隨著人工智能興起,傳統(tǒng)的CPU算力不足這一問題便越來越突出,尤其基于CPU的傳統(tǒng)計算架構(gòu)無法滿足人工智能并行計算的需求。AI所需的深度學(xué)習需要很高的內(nèi)在并行度、大量浮點計算能力以及矩陣運算,因此在通用芯片之下,需發(fā)展適合人工智能架構(gòu)的專屬芯片。這也帶來了英特爾地位的下降。

  不過在更早時候,即移動互聯(lián)網(wǎng)大潮襲來時,CPU巨頭英特爾的劣勢就已開始顯現(xiàn)了。英特爾在移動端不敵來自生產(chǎn)ARM芯片(與英特爾X86平級的CPU架構(gòu),但采用精簡指令集計算機,主打低成本、低功耗和高效率)的ARM公司,目前世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構(gòu)。

  再加上GPU在數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的競爭,2010年還占據(jù)整個半導(dǎo)體芯片市場80%多份額(據(jù)IHS的報告數(shù)據(jù))的英特爾,到2016年第二季度,僅占14.7%。

  為了在人工智能時代不落后其他科技公司,英特爾近年來通過收購一批在FPGA、ASIC等芯片領(lǐng)域的頭部企業(yè)。在云端,2015年,英特爾收購全球第二大FPGA廠商Altera;在終端,2016年收購了研發(fā)高性能視覺處理芯片的Movidius;另外,英特爾2017年還收購了汽車領(lǐng)域的Mobileye,以此對抗英特爾在汽車領(lǐng)域的地位。

  不過,今年7月,英特爾交出的財報顯示,其Q2營收為169.62億美元,凈利潤50.06億美元,同比增長78%。雖然營收、凈利潤增速不錯,但基于CPU、FPGA的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并未達到之前的預(yù)期,英特爾股價還是跌了。

  當然,英偉達雖然目前已有頹勢,但CPU卻也沒有到馬上要被替代的地步。

  CPU雖然計算能力稍差,但它是通用計算機的處理核心,處理各式各樣的指令要求,所有部件也都要通過它互聯(lián)互通,其有著復(fù)雜的邏輯控制單元和獨特的指令翻譯結(jié)構(gòu),這是其他芯片目前難以替代的。

  并且,ARM架構(gòu)的CPU芯片在手機和智能音箱等領(lǐng)域也是不可或缺的。所以唱衰CPU,還是為時過早的。

  英偉達和GPU:先發(fā)制人的“十項全能”選手,目前應(yīng)用最廣泛AI芯片

  CPU的計算能力漸漸落后,也催生了崛起的圖像處理器GPU及新的巨頭英偉達。1999年,英偉達發(fā)明了GPU,這極大地推動了PC游戲市場的發(fā)展,重新定義了現(xiàn)代計算機圖形技術(shù),并徹底改變了并行計算。

  相比CPU,GPU由于更適合執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計算(尤其是并行運算),剛好與包含大量的并行運算的人工智能深度學(xué)習算法相匹配,因此在人工智能時代剛好被賦予了新的使命,成為AI硬件首選,在云端作為AI“訓(xùn)練”的主力芯片,在終端的安防、汽車等領(lǐng)域,GPU也率先落地,是目前應(yīng)用范圍最廣、靈活度最高的AI硬件。

  而英偉達也因此幾乎成為AI浪潮中的最大受益者,在加速深度學(xué)習算法芯片市場幾乎占壟斷地位。英偉達2016年第一個推出專為深度學(xué)習優(yōu)化的Pascal GPU,2017年推出了性能更優(yōu)的新GPU架構(gòu)Volta,及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理加速器TensorRT 3。目前占據(jù)全球GPU行業(yè)的市場份額超過70%,GPU作為其核心產(chǎn)品占據(jù)84%的收入份額。

  另外,由于英偉達發(fā)布的針對開發(fā)者提供的并行計算平臺CUDA,被廣泛認可和普及,積累了良好的編程環(huán)境,目前應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域,可進行通用計算的GPU市場基本被英偉達壟斷。

  不過英偉達在PC端和數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)上,也面臨著老二AMD的挑戰(zhàn)。

  在PC處理器市場,AMD正在英特爾主導(dǎo)的市場“搶食”。從2017年3月至今年4月,AMD推出了銳龍7、銳龍5、銳龍3、銳龍Threadripper、銳龍2000等處理器。數(shù)據(jù)顯示,在銳龍?zhí)幚砥魍瞥龊螅珹MD的桌面處理器市場份額已從8%增至12%;而英特爾的份額則下跌1.9%,至87.8%。

  雖然,英特爾在數(shù)據(jù)中心處理器市場也占有絕對的領(lǐng)先地位,擁有99%的市場份額,不過野村證券稱英特爾正在試圖阻止將15-20%的數(shù)據(jù)中心處理器份額讓給AMD。

  目前GPU和英偉達,在人工智能浪潮下,可以說是風頭正勁,不過在頂著“應(yīng)用最廣泛AI芯片”的光環(huán),英偉達也還面臨FPGA和ASIC等專用化程度更高、計算力更強的芯片的挑戰(zhàn)。

  賽靈思和FPGA:“變形金剛”,算法未定型前的階段性最佳選擇

  同樣能滿足更高的計算需求,并可進行編程,1984年,賽靈思(Xilinx)發(fā)明了現(xiàn)場可編程門陣列FPGA,F(xiàn)PGA作為半定制化的ASIC(專用集成電路),順應(yīng)了計算機需求更專業(yè)的趨勢,成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中的主流芯片。

  FPGA可算是芯片界的“變形金剛”,在寫入軟件前它有勝于CPU的通用性,寫入軟件后它有類似于ASIC的表現(xiàn),是算法未定型前的階段性最佳選擇。FPGA相比GPU具有低功耗優(yōu)勢,同時相比ASIC具有開發(fā)周期快,更加靈活編程等特點。

  在現(xiàn)階段云端數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)中,F(xiàn)PGA以其靈活性和可深度優(yōu)化的特點,有望繼GPU之后在該市場爆發(fā);在目前的終端智能安防領(lǐng)域,也有廠商采用FPGA方案實現(xiàn)AI硬件加速。

  FPGA市場的最大玩家是其創(chuàng)始者賽靈思,除了“通過系統(tǒng)集成和先進的‘軟件定義’開發(fā)環(huán)境所擴展的新用戶群體的服務(wù)”外,賽靈思在金融、制造業(yè)、娛樂、公共安全以及電信等傳統(tǒng)行業(yè),以及在自動駕駛汽車、無人機、智能監(jiān)控等新興行業(yè)都有布局。

  在數(shù)據(jù)中心方面,全球七大超大規(guī)模云服務(wù)公司,已有3家采用了賽靈思FPGA,其中的百度于今年10月宣布,其已設(shè)計出賽靈思UltraScale?FPGA池。另外,賽靈思在車用電腦視覺處理市場占有率排名第二,僅次于Mobileye(2017年被英特爾收購),不過其與Mobileye間還存在著巨大差距。

  賽靈思今年還收購了我國的人工智能創(chuàng)企深鑒科技,深鑒基于賽靈思的FPGA開發(fā)AI芯片,此前已和大華股份、東方網(wǎng)力等安防廠商展開合作,推出基于Xilinx FPGA的DPU產(chǎn)品。


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