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... 如果你的身邊有數碼控，或者你本身就經常觀看各大手機廠商的新品發布會，那麼這個英文縮寫你肯定聽說過——GPU。但是如果有人諮詢買手機考慮哪些因素，那麼除了價格之外，我們慣常聽到的可能就是CPU、RAM、ROM、快充、螢幕刷新率、拍照效果…… 而GPU，是那個提起來的時候數碼控也會說一聲「這個也很重要」的參數，但相信我，一般人不會在乎這個。當然，如果你身邊有遊戲控，那麼情況就會很不一樣。他會告訴你，一個擁有高性能顯卡的電腦/筆記本必然是高端產品，而高端產品卻未必有出眾的顯卡。而在他們眼裡，買手機肯定是要看一下GPU參數的，畢竟這直接關係到遊戲體驗。對於普通人來說，手機上的GPU一般都是跟CPU的算力匹配的，跟價格也是高度匹配，但我們依然有必要了解一下，GPU怎麼發展至今的？以及為什麼我們應該了解它。 ...GPU發展進程 GPU發展史：也許故事才剛開始 GPU，英文全稱Graphic Processing Unit，中文名稱叫圖形處理器，在電子領域它是一種專門設計的、主要應用於圖形信號處理的單晶片處理器，在電腦中，如果你的顯卡是獨立顯卡，那麼GPU一般就處在PCB板的中心。跟CPU的誕生不同，GPU是先擁有理論和雛形，然後等計算機技術發展到出現較為複雜的圖形後，它才正式登臺： 1962年，麻省理工學院（MIT）的博士伊凡•蘇澤蘭發表的論文以及他的畫板程序奠定了計算機圖形學的基礎。在隨後的近20年里，計算機圖形學在不斷發展，但是當時的計算機卻沒有配備專門的圖形處理晶片，圖形處理任務都是CPU來完成的。與此同時，因為計算機技術還沒有出現大的突破，對於圖形處理的需求也沒有那麼迫切，甚至絕大部分人還沒有使用過計算機。當然，隨著計算機技術的發展，在電影行業及工程行業，對於計算機在圖形處理方面的需求迫在眉睫，1984年，SGI公司推出了面向專業領域的高端圖形工作站，才有了專門的圖形處理硬體，俗稱圖形加速器。它們開發的圖形系統引入了許多經典的概念，比如頂點變換和紋理映射。在隨後的10年里，SGI又不斷研發出了一系列性能更好的圖形工作站。但是，由於價格非常的昂貴，在消費級市場很難獲得普及，用戶非常小眾化。而這段時期，在消費級領域，還沒有專門的圖形處理硬體推出，只有一些2D加速卡。真正的改變發生在1995年，就是在這兩年間，全球資訊網和網頁瀏覽器被發明出來，與此同時網際網路建設如火如荼，桌面系統的成熟也讓個人計算機走進千家萬戶，這一切都推動了GPU的發展：1995年，3Dfx公司發布了消費級領域史上第一款3D圖形加速卡voodoo，這也是第一款真正意義上的消費級顯卡。注意，這裡是3D圖形加速卡，它的實質是非GPU晶片為核心的顯卡，而非GPU。從這個歷程中，我們可以看到一件事——消費者對於圖形處理的需求將隨著計算機的普及變得更加複雜高深。而這就需要顯卡擁有更為非凡的能力，而不僅僅是圖形的加速處理。 ...Geforce 256 1999年8月，劃時代的Geforce 256來了。 Geforce 256是英偉達（NVIDIA）公司推出的代號為NV10的圖形晶片，值得注意的是，他是第一款提出GPU概念的產品，換句話說，它定義並展示了GPU是什麼樣的一個電子元件。 Geforce 256所採用的核心技術有「T&L」硬體、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等。「T&L」硬體的出現，讓顯示晶片具備了以前只有高端工作站才有的頂點變換能力，同時期的OpenGL和DirectX 7都提供了硬體頂點變換的編程接口。GPU的概念因此而出現。而除了英偉達，2001年，GPU行業的另一巨頭ATI（2006年被AMD收購）推出了Radeon 8500。 ... 而後在接下來的十幾年裡，在PC領域GPU的框架和發展方向基本已經很清晰，如今，GPU已經逐漸發展到的性能過剩的時代，只有在極少數顯卡殺手級的遊戲的最高畫質下才能感覺到力不從心。這大概是遊戲開發人員最高興的事，因為制約他們的不再是硬體，而是他們的思想。也許2006年前後，人們對於「GPU可能制約計算機技術發展」的擔心已經不再出現，畢竟它已經能夠挑戰甚至超越同時其生產的CPU產品。按理說故事到這裡也該結束了，但2007年，蘋果智慧型手機iPhone2G發布，一個新的時代到來。 ...2007年，賈伯斯發布蘋果智慧型手機手機GPU：一個容易忽視，卻不容忽視的存在實際上很多人會將手機GPU跟電腦顯卡當成一種存在，但實際上它們根本不是一回事：電腦顯卡是包含GPU在內的一系列硬體組合而成的硬體模塊，而手機GPU則是單獨的圖形處理晶片。它們的地位也不一樣，顯卡在電腦中是和CPU同等重要（甚至更加重要）的模塊，而手機GPU一般則是集成於CPU，起的輔助作用較多。上邊提到蘋果手機，實際上GPU在手機上的應用要早於這款iPhone2G，在智能機時代之前，就有一家霸主級手機公司使用了GPU，甚至熱衷於使用獨立顯卡，這家公司就是大家童年的回憶——諾基亞手機，其N82、N93、N95都是3D顯卡，諾基亞可以說是獨立顯卡狂魔。到智慧型手機時代，就基本上都是CPU里集成GPU，這裡倒不是說GPU性能太弱雞，事實正相反，其實是手機CPU的發展約束了GPU能力的發揮，即便到現在，手機中GPU的能力基本還處於過剩狀態，唯一說得過去的大概就是這幾年新興起的競技手機。但無論如何，移動電子設備市場的開拓，為GPU提供了更多應用場景，同時因為通信技術和半導體行業的迅速發展，GPU有了越來越多的用武之地。 ... 這裡需要介紹的是手機GPU的各大「勢力」。在上邊說了，PC端基本上就是英偉達、AMD這兩家霸占了GPU市場，當然，Intel其實也能排進PC端GPU巨頭的行列，不過它現在完全是集成顯卡，在技術實力上沒辦法跟前兩個大佬相比。到了手機GPU領域，英偉達的老大地位就不保了，大家可以看下面這張圖片： ... 在手機GPU領域，值得一提的是一家叫Imagination的英國公司，因為它專注於移動GPU技術授權，所以很少引人注意，但包括聯發科、蘋果A系列、Intel等都使用了它的GPU架構，在蘋果自研GPU之前（後來投向了ARM），其PowerVR SGX系列晶片一直是年度手機GPU之王。現在在三星、OPPO、VIVO等國際知名手機品牌旗艦系列中也常能看到powerVR架構的GPU，其性能表現也為人稱道。值得玩味的是，2020年元旦剛過去，蘋果再次與Imagination達成授權協議。最近幾年比較出風頭的則是高通的Adreno，但其實這個晶片的前身是AMD的項目轉變而來的，必須承認，正是在高通的技術背景下，Adreno才有機會成長為行業大拿。當然不得不提的就是現在的行業老大——ARM，從2019年手機GPU的市場數據來看，ARM在GPU行業已經是名副其實的一哥。去年發生的一件事想必大家還有印象——ARM停止授權給華為海思，海思半導體可以說是國內首屈一指的晶片設計公司，但在底層架構方面，自2012年開始基本上都是使用的ARM架構。而且蘋果自研GPU的底層架構用的同樣是ARM，其行業地位可見一斑。相信看到這裡大家也清楚了一件事，在GPU領域，中國至今沒有一家真正掌握基層架構設計能力的公司。而根據最新消息，麒麟1020上可能將搭載華為自研GPU晶片，但底層架構依然是ARM。 ...麒麟970 GPU應用前景：為什麼我們要發力GPU領域？中國半導體行業真正開始發展，我覺得應該是在加入世貿組織之後，眼界的開闊，改革開放的深化，以及經濟的迅速發展，這些因素促成中國成為全球最大的製造業基地，尤其是消費電子生產基地。甚至可以說，中國成為消費電子全球產業鏈的一個橋樑，我們在這裡接觸上游和下游產業，加深了解，並在這個產業鏈中找到了自己的位置。但我們在後來認識到一點：如果關鍵的底層技術不掌握在自己手裡，那麼我們現在擁有的一切基本上屬於空中樓閣。問題是我們無法在每一個領域上都投入巨大金錢和精力，這就需要我們做出選擇，去選擇最底層、最尖端和最關鍵的技術方向。就智慧型手機領域來說，研發方向涉及到鋰電池、攝像頭及晶片、螢幕、CPU、內存晶片、聲音元件、安全晶片等等，當然也包括GPU。在過去的這些年裡，續航這方面有快充技術，攝像頭及晶片這個方向我們基本上放棄了研發，用的是索尼和徠卡等產業鏈上游廠商的供貨，螢幕上取得了突破（京東方）、CPU有華為海思、內存晶片用的三星……總之，我們基本上在各個細分領域都能擁有話語權。但在GPU這個行業，中國企業基本上完全沒有建樹和聲量。數據顯示，從全球專利公開國看，GPU專利全球布局重心在美國。截至2015年在GPU技術領域全球共計6522個專利家族，其中1766個家族有中國專利，而其中超過總數80%的5459個專利家族有美國專利，剩餘世界五大專利局的日歐韓分布也排名靠前，均有超過10%專利家族有該國專利布局。從各國公開趨勢來看，在美國、中國和韓國專利布局比重呈逐年上升趨勢。而從專利技術趨勢看，全球GPU領域專利IPC排名前三的分別是G06T15/00（三維圖像的加工）、G06T1/20（通用圖像數據處理的處理器結構；處理器配置，如流水線）和G09G5/00（陰極射線管指示器及其他目標指示器通用的目視指示器的控制裝置或電路），並且近三年全球GPU專利在IPC總數排名靠前的兩個領域比重有顯著增加，中國在近幾年的相關專利技術也都集中在前兩個領域。另外從專利權人分布看，排名靠前的公司基本上都在英美日，世界排名前三的就是英偉達、英特爾和AMD。而截至到2015年，單個中國專利權人僅持有個位級別數量的GPU技術專利家族，並且領先的這兩家單位都是併購來的。當然，這些情況的發生也可能因為在過去的這些年裡，GPU並沒有表現出足夠讓我們重視的分量，更多時候它更像是購買CPU時候買一贈一的贈品，但現在情形不同了。 ... 5G即將登臺。而跟隨著5G到來的，是無人駕駛、VR/AR，是超高清領域的到來，是深度學習、大數據時代，這些新的行業有一個共同特點——都需要擁有巨量圖像處理性能的晶片。無人駕駛的車載晶片里將會集成GPU，VR/AR設備里將集成GPU，而大數據不單指文本信息，而很可能全部都是圖像信息。 CPU性能將會迅速逼近摩爾極限，那麼GPU將迎來自己大展手腳的時代。而如果我們的GPU技術沒有獲得突破，同時越來越明顯的貿易保護主義繼續泛濫，那麼最壞的情況就會出現——我們建成了5G網絡，卻因為GPU技術受到某國的降維打擊而停止到當前技術階段，那麼我們將浪費5G領先而給我們帶來的時間優勢。而即便情況不這麼嚴重，GPU也該是時候重視起來，畢竟國內的人工智慧領域的獨角獸們都用得到。總結說實話，中國近二十年間在網際網路各相關領域所取得的成就讓世人矚目，但更應該認清的事實就是，留給我們的時間越來越少了。中國的技術型企業就好像在群山中登山，走到山頂的時候就看到遠處有一座更高的山，有一些企業會停下來，因為怕走下去會沒有力氣再次爬上下一座山頂，而在這眾多的「登山者」中，也有一些不屈不撓的，他們熱衷於攀登，熱衷於挑戰，於是有一天他們終於來到一個地方，發現天地之間，他已經在最高處。真的，儘管有坐著說話不腰疼之嫌，但有能力繼續攀登的企業，真的應該繼續走下去。希望再過些年，看GPU全球市場份額分析的時候，能看到中國的企業。參考資料： 1）《圖形處理器（GPU）專利態勢研究》 2）《移動GPU廠商的發展史及其核心技術》 ...