元宇宙&云游戏下，GPU赛道“高烧不退”
2018年，斯皮尔伯格的导演的《头号玩家》上映，为大家打开了未来游戏世界的大门，戴上XR眼镜即可以虚拟人物形象进入游戏世界开展故事线，这也将是未来元宇宙生态下的云游戏场景。
云游戏，是一种以云计算技术为基础的在线游戏方式，所有游戏都在服务器端运行。最大的优势就是无需下载安装，即点即玩，对设备的门槛也大大降低，摆脱了Window电脑、Mac笔记本、安卓手机、苹果平板、电视等不同平台和终端的束缚，让玩家可以在多个平台间无缝切换，享受同样流畅、清晰的体验。这意味着，用户想要玩高质量游戏大作不再需要考虑硬件成本，因为主机被云化了，一切有显示屏的终端都可以承载用户的游戏体验。
GPU，虚拟世界必要的基建技术
随着 5G 时代的到来，游戏将会在云端GPU上完成大规模渲染，游戏画面压缩后通过 5G 高速网络传送给用户。GPU又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门做图像和图形相关运算工作的微处理器，一般指是显卡的处理器。图形渲染的实质是大量数据的快速并行计算，具有高并行度以及高吞吐量特性的处理器，才能实现对图形问题的快速解决。未来，云游戏的发展需要 GPU 服务器、虚拟化技术、音视频技术、网络传输、边缘计算核心技术的支撑。
通过下面的视频可以看出GPU对于图形呈现的重要性，它直接影响到了我们的视觉体验。
因此，对于虚拟世界的玩家而言，沉浸感的氛围和视觉体验一定是第一位，即便游戏玩法设计得再精妙，如果画面模糊不清，场景反应迟钝，元宇宙世界还是会遭到无情嫌弃。
云游戏的发展需要 GPU 服务器、虚拟化技术、音视频技术、网络传输、边缘计算核心技术的支撑。为保证逼真的视觉效果，需要运行于庞大的服务器集群之上，虚拟化技术允许多个用户共享一台物理 GPU，GPU和虚拟化技术的成熟与否将大大影响游戏的画面质量和延迟。
全功能GPU开拓算力时代新场景
GPU的独立出现带动了游戏行业、制图行业、视频行业的快速增长。在国家经济转型、产业结构升级的时代背景下，我们已经进入了一个算力时代。
摩尔线程CEO张建中认为，今后元宇宙的互联网会推动数据中心新的转型，即从以前传统的云计算中心转向一个“元计算”中心，而“元计算”中心需要全功能GPU。总体来说，3D图形、AI训练推理、大规模科学计算、高速视频编解码，是全功能GPU必须具备的四项能力。
第一，要做到实时渲染、物理渲染以及照片级逼真的渲染，这些是GPU的第一大特点，也是GPU的“本行”，游戏、AR、VR、3D建模等，都离不开实时渲染。
第二，要达到人眼沉浸式的体验，需要超高清的视频处理能力和显示技术，GPU的算力非常关键，要实现解码解得快、编码编的快，不光是2K、4K，还要支持8K。8K的计算力是现在元宇宙计算的基本算力，做全景视频、360度扫描、AR/VR显示、360度全范围立体显示等，这些都是视频领域的基本能力。
第三，AI算力。无论是训练还是推理，要把几乎各个行业领域AI的研究成果都结合在一起，包括图像识别、目标检测、文字识别（OCR）、NLP、自动驾驶、机器人、医学、生物学等多个方面；还有就是知识图谱，将各行各业的知识积累综合在一起，提升人工智能的计算效力。
第四，工业仿真、科学计算。比如蛋白质的重构、基因检测、天气预报、流体力学、电磁仿真、碰撞检测、地质、爆炸、石油勘探等，都要用科学计算也就是超级计算来解决问题。
互联网时代的大数据高速积累，全球数据总量几何式增长，算力将为大数据的发展提供坚实的基础保障，预计游戏、AI、自动驾驶也将成为GPU三大应用场景。
游戏应用
GPU的画质的实时渲染效果增强游戏用户体验。人们在游戏中更加追求“沉浸式”体验，这种体验感越真实，越受大众喜欢，这就需要高性能的GPU显卡。
游戏绘图是GPU的传统应用领域，为游戏开发者提供电影级画质的实时渲染；GPU并行计算的基础结构、可以执行海量数据计算；GPU 访存速度快；GPU拥有更高的浮点运算能力，对图形与媒体加工速度快。
另外，同样需要渲染增强视觉体验感的，还有GPU在影视行业的应用。如2009年上映的电影《阿凡达》，在当年可以说是巅峰之作，美轮美奂，如果没有超级计算机的算力支持，用普通电脑做后期效果渲染需要1万年的时间，而用超级计算机，一年就可以完成计算。
全球游戏PC和显示器的出货量强劲。IDC数据显示，2020年游戏PC和显示器的出货量同比增长26.8％，达到5500万台。游戏笔记本电脑在2020年增长了创纪录的26.9％。与PC并行，游戏显示器在2020年也达到了新的高度，与2019年相比增长了77％以上，出货量达到了1430万台。IDC预计2021年游戏显示器的销量将首次超过游戏台式机。即使游戏台式机逐渐受到青睐，游戏笔记本电脑的显示器连接率不断提高也意味着游戏监控器市场的五年复合年增长率预计将超过10％。IDC预计2025年全球销量达到7290万，复合年增长率为5.8％。
AI应用
预计到2030年，无人驾驶、智慧医疗等领域的算力需求相当于1600亿颗高通骁龙芯片的算力。骁龙芯片已经是当前非常前沿的芯片了，可想而知，1600亿颗这样的芯片算力需求有多大。如此大的算力需求要用什么去满足呢？那就是具有超强计算能力的显卡芯片——GPU。
GPU未来市场预计
据数据统计，从2015年到2025年，GPU市场规模预计将从80亿美元扩展到350亿美元，年复合增长率达13%。
2015-2025年GPU市场规模趋势
相比于传统CPU服务器，在提供相同算力情况下，GPU服务器在成本、空间占用和能耗分别为传统方案的1/8、1/15和1/8。人工智能服务器是AI算力基础设施的主要角色，在服务器中渗透率不断提升。L3自动驾驶算力需求为30-60TOPS，L4需求100TOPS以上，L5需求甚至达1,000TOPS，GPU算力需求提升明显，芯片主要向着大算力、低功耗和高制程三个方向发展。根据Goldman Sachs预计预计2025年，GPU市场份额将达到约57%。
三大GPU厂商对元宇宙的态度
当前，GPU市场主要被英特尔、英伟达、AMD等厂商垄断，市场高度集中。据JPR公布的数据显示，2021年第二季度，在全球独立GPU市场中，英伟达独占83%的市场，AMD则占据17%的份额；在PC GPU市场中，英特尔占比超过68%，英伟达与AMD次之。
在中国市场中，三大巨头自然也是分走了大部分蛋糕，作为全球GPU市场重要组成部分，2020年英伟达、AMD在中国大陆收入占比分别为23.3%、23.9%，可以说是赚得盆满钵满。
英伟达：最积极的主推手
作为首批将元宇宙炒热的厂商之一，英伟达在元宇宙上的动作也是最多的。英伟达的Omniverse如今已被视为潜力最大的元宇宙开发平台，更有将通用场景描述（USD）一举打造成“元宇宙HTML”的态势。英伟达凭借GPU芯片的优势，市值就高达7410亿美元（约合人民币47198亿元，截至2021年12月23日），晋升为当下全球市值最高的半导体企业。
2021年4月，英伟达以线上形式举行了一场发布会，英伟达CEO黄仁勋从烤箱中拿出显卡的桥段让人印象深刻。而在3个月后的计算机图形学顶会SIGGRAPH 2021上，英伟达自曝发布会有足足14秒的画面，被虚拟渲染的场景替换，连黄仁勋本人，都是靠英伟光追技术和达Omniverse合成渲染的虚拟人实现。
Omniverse开发流程 / 英伟达
Omniverse的基石是Nucleus，一套连接用户、实现3D资产交换和场景描述的数据库引擎，以通用场景描述联合软件生态，再结合合成、渲染、动画引擎和CloudXR充分凸显自己在图形软件和硬件上的独到优势，英伟达的Omniverse和GPU成了不少元宇宙拓荒者的首选。
Blender 3.0 Cycles下的渲染时间对比 / 英伟达
且由于先行一步的原因，Omniverse已经有了让他人望尘莫及的软件生态支持，无论是3DS MAX、MAYA、UNREAL ENGINE还是Photoshop，均提供了第三方支持。近日刚推出的Blender 3.0版本也为Omniverse添加了通用场景描述支持，这意味着开源3D内容的生态也已经率先与英伟达元宇宙平台接壤了。
从生态与落地来看，GPU占据绝对优势，英伟达处垄断地位。开发者能通过英伟达CUDA平台使用软件语言很方便地开发英伟达GPU实现运算加速，已被广泛认可和普及，积累了良好的编程环境。
AMD：佛系的观望者
GPU巨头之一的AMD倒是很少公开讨论元宇宙，其CEO苏资丰博士在接受外媒采访时表示，AMD更愿意将这些市场通用化，看作是高性能计算和AI等应用的结合。AMD目前秉承的正是异构计算的架构，将合适的硬件用于合适的工作负载，但AMD并没有专门针对元宇宙推出对应的软件或硬件平台。
尽管AMD的GPU并没有在元宇宙上大举推进的计划，但元宇宙厂商仍对AMD的CPU青睐有加。就改名不久的Meta来说，该公司在上月宣布其计算平台将利用AMD的Epyc芯片来助力其数据中心平台的开发，AMD与Meta的工程师共同优化这一平台的功耗和性能。
从AMD的态度来看，既然元宇宙的概念和生态都没有定型，它倒也乐意做一个旁观者，继续发展存量市场和风险更小的增量市场。
英特尔：持开放态度的新玩家
除了AMD和英伟达这两家我们日常提到的GPU厂商外，还有一家半导体大厂也已经做好冲击GPU市场的准备了，这就是英特尔。英特尔在近日举办的RealTime大会上首次公开讨论了元宇宙，并发表了英特尔对元宇宙的愿景。
在英特尔看来，元宇宙的形式并非单一的，基于交互对象的不同可以分为三类，一类是人与人交互的“社交宇宙（Socialverses）”，一类是人机交互的“玩宇宙（Playverses）”，还有一类则是机器与机器之间交互的“模拟宇宙（Simuverses）”。
元宇宙中的各个场景 / 英特尔
要想体验到元宇宙，首先需要创建的就是虚拟存在、元物体、数字环境生成和真实世界模拟。这些都离不开GPU的参与。英特尔全新架构的GPU也即将在2022年第一季度正式发布，作为新入局的玩家，英特尔自然需要充分利用各个市场的潜在机遇为其造势，为此不仅是游戏和内容创作，元宇宙这一大热的市场自然不能视而不见。
但英特尔想要打造的不仅仅是硬件计算平台，也想构筑一个开放的软件平台。据英特尔加速运算系统与图形部门主管Raja Koduri介绍，英特尔对元宇宙的首批技术推进将注重于软件，帮助设备利用已有的算力，而且对其他竞品的芯片同样适用，而不是仅限于英特尔自己的硬件。他强调这类软件的作用是帮用户解决元宇宙场景下的技术挑战，而不是为英特尔创造利润，未来英特尔打造的产品中会有引入更多的开源要素。
不过这并不代表着英特尔真的会为别家芯片做单独的适配，这些软件的通用性仅针对那些采用了行业标准的硬件。英特尔毕竟才做好进军高性能GPU市场的规划，GPU软件开发实力尚浅，以开源开放的方式汲取经验才是最稳健的做法。
GPU国内厂商情况
受制于GPU人才少、技术难度高、生态建设匮乏等因素，同时在被巨头垄断的市场，国产GPU迫切需要取得突破。
由于GPU行业的准入门槛较高，国内很多厂商专注的是通用GPU（GPGPU）的研发。另外，从事CPU研发的企业（如兆芯、龙芯等），也开始切入这个赛道，增强了国内GPU企业的整体研发实力。此前集微咨询（JW insights）曾统计过国内GPU厂商的状况，如下表。
值得一提的是，2021年11月芯动科技表示，为中国5G数据中心定制的高性能显卡“风华一号”测试成功，即将全球首发。“风华一号”搭载GDDR6X和chiplet技术，实现了国产数据中心高性能图形处理器芯片从无到有的突破。据了解，“风华一号”将用于5G数据中心、元宇宙、云桌面等高性能图像渲染领域。
近期，景嘉微也对外披露了自家JM9系列的最新走向。不过比起芯动科技的“风华一号”，JM9系列的性能表现要低不少。并没有达到业界传出的性能持平英伟达GTX1080的目标，据了解，GTX1080的浮点性能是JM9浮点性能的6.5倍。不过在功耗方面，JM9系列的功耗仅为30W。
小结
无论是面向高性能计算还是图形渲染，国产GPU是在近几年才开始加速追赶国际巨头。业内人士表示，GPU芯片的研发比一般芯片难度大，研发成本高，先进工艺的芯片投片花费巨大，少则几亿多则十亿元以上，因此整个国产GPU芯片无论是融资还是投入都是相对较高的。从技术角度看，用于图像渲染的GPU设计相对更加复杂，不仅是GPU架构上，还在接口速率、带宽、存储以及先进封装如Chiplet等方面，考验芯片厂商的设计能力。而GPGPU针对AI训练或推理场景采用一定的算力和算法，能够更有针对性地发展计算性能。
在GPU领域业界常说，英伟达的成功并不仅是它的GPU芯片，更重要的是它的软件生态，因为其构建的强大生态，即便它的芯片或方案更贵，也仍然得到用户的购买。而这样的生态体系，令许多GPU或AI芯片公司望尘莫及。
当然，在国内我们的桌面处理器生态系统正在建设，厂商们主动积极地将CPU、GPU与操作系统、应用软件进行广泛适配。另一个突围的机会则是国产GPU芯片厂商与客户充分沟通从定制功能、降低成本的角度切入到客户的需求当中。