英特爾 2020 年將推新一代獨立 GPU,但 CPU 霸主研發高階 GPU 一路走來卻很「辛酸」

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 15 日 16:16 | 分類 GPU , 晶片 follow us in feedly

6 月 12 日上午,英特爾在官方 Twitter 表示獨立 GPU 將在 2020 年推出。更詳細的資訊並未透露,不過英特爾 CEO Brian Krzanich 在上週的分析師活動就已透露將在 2020 年推出首批獨立顯卡晶片,代表晶片巨頭開始為各種市場提供高效能圖形產品組合,包括遊戲、資料中心和人工智慧(AI)。



2020 年推獨立 GPU 並不意外

英特爾將推出獨立 GPU 的消息其實不讓人意外,因推文的配圖就是 Raja Koduri 的照片。Raja Koduri 去年 11 月 日被任命為英特爾首席架構師,並在新成立的核心和視覺計算事業部(Core and Visual Computing Group)擔任進階副總裁。加入英特爾之前,Raja Koduri AMD Radeon 事業部進階副總裁和首席架構師,負責包括 APU、獨立 GPU、半自訂產品和 GPU 計算產品等諸多影像相關產品。更早時 Raja Koduri 在蘋果負責 Mac 產品的影像顯示系統。

因此,這位有超過 25 年 GPU 經驗的專家加入,讓英特爾推出獨立 GPU 的計畫提前曝光。根據英特爾說法,選擇 Raja Koduri 是看中他在 PC、遊戲控制、專業工作站、計算裝置等平台的視覺計算和加速計算經驗,他在影像硬體、軟體和系統架構方面都是專家。當然,隨著 Raja Koduri 加入,其他 GPU 人才也會隨之進入英特爾,這將大大增強英特爾在 GPU 方面的實力。

Raja Koduri 加入不久,就有傳聞稱英特爾將在 2019 年 1 月 CES 2019 推出新 GPU,不過這對複雜的晶片設計顯然有些激進和不合理。因為典型的 GPU 架構和晶片開發週期是 3 年,因此 2020 年推出獨立 GPU 相對合理,但能否按計畫推出還涉及技術、人才等問題。

目標無非是遊戲和資料中心

對英特爾研發高階 GPU 目標,其實無非就是遊戲及發展迅猛的 AI 市場。目前的 GPU 市場,輝達占據領先地位,為輝達業績的支柱,2018 第一季財報顯示遊戲晶片業務收入增長 68% 至 17.2 億美元,資料中心業務收入也增長了 71% 達 7.01 億美元。除了遊戲市場和資料中心,數位加密貨幣、自駕車對高效能 GPU 的巨大需求也反映在輝達的最新財報。

輝達近來亮眼的財報更讓 AMD 和英特爾不想錯過增長強勁的高效能 GPU 市場。

AMD 在 COMPUTEX 2018 期間公開全球第一個使用 7 奈米製程的 Vega GPU,並表示已開始樣品出貨,預計今年下半年開始大規模出貨。對在遊戲市場和輝達激烈競爭的 AMD,想要搶先推 7 奈米 GPU 無疑也是想要搶奪資料中心的 GPU 市場。AMD 發表會指出,到 2025 年資料將增長 50 倍:可穿戴裝置、IoT5G 裝置正在普及,這些裝置都會產生大量資料。隨著資料量和演算法複雜度的急速提升,對算力的需求也在高速增長。

眾所周知,資料中心對處理器的需求目前主要包括 CPU 和 GPU。對英特爾而言,資料中心 CPU 已占優勢,如果再擁有高階獨立顯卡,不僅可將旗下的 CPU 聯合起來,形成更強悍的計算能力與輝達、AMD 競爭。至於是先推遊戲市場 GPU 還是資料中心 GPU 就不得而知,分析師 Ryan Shrout 認為英特爾會首先為遊戲 PC 推出獨立 GPU

CPU 霸主的獨立 GPU 辛酸研發史

英特爾目前並非沒有自己的影像解決方案,但都局限於核心顯卡,即 Intel HD Graphics 系列,這種核心顯卡在影像處理方面的能力較低,只能用在一些對影像處理要求較低的用戶端裝置,比如說筆電。GPU 的開發中,CPU 霸主英特爾的晶片設計能力不會遭到大部分人質疑,但其實 CPU 巨頭的 GPU 開發歷程並不順利。英特爾 GPU 研發可追溯到 1997 年,那年英特爾透過收購 Chips and TechnologiesC&T)獲得 2D 顯示核心技術,3D 技術則是在擁有 20% 股權的 Real3D 協助下研發。1998 年 月,Intel740(簡稱 i740)正式發表,這是英特爾公司研發的唯一一款用於獨立型顯卡的顯示核心。

▲ 英特爾唯一一款用於獨立型顯卡的顯示核心 Intel 740。

據了解,i740 是第一款採用 HyperPipelined 3D 架構的顯示核心,也是 64bit 架構。i740 採用 0.35 微米製程製造,核心時脈與 AGP(加速圖形介面,Accelerated Graphics Port)同步,即預設值為 66MHz,透過提高 AGP 時脈可超頻核心。除了 3D 圖形顯示,i740 提供出色的 2D 顯示和影片播放效果。至於效能,遊戲應用中,i740 的效能約為 Voodoo2(把 3Dfx 推向顛峰的最紅 3D 顯卡)的一半,也低於 Voodoo3D Winbench 98 的標準檢查程式中,它的效能竟又與 Voodoo2 同等級,因此有人認為顯卡的驅動程式欺騙了檢查程式。不過,藉著英特爾的霸主地位和便宜的價格,很多廠商都推出使用 i740 的產品,產品價格持續下降,使 i740 銷量很高,幫助 Intel 在低階 GPU 市場獲得不錯市占率。

到了 1999 年 月 27 日,英特爾公布了 Intel 740 的後續版本──Intel 752(代號 Portola,簡稱為 i752)。核心架構是 128bit,核心時脈為 100MHz,顯示記憶體時脈為 133MHz,最大支援 16MB 顯示記憶體。但英特爾在發售前決定將 i752 整合至主機板,取消獨立顯卡,所以 i752 只有工程開發版的獨立顯卡產品流傳於市場。後來,Intel 752 改為 Intel 754(代號 Coloma)以支援 AGP 4X,整合於 i810E 晶片組,其他參數與 i752 相同。

之後, 輝達在大部分人對 GPU 的認識還局限於遊戲圖形加速的時候就看到 GPU 在其他領域的潛力,於是開始了 GPGPU(通用 GPU)戰略並在 2007 年推出 CUDA。經過數年開發積累,深度學習大熱的時候,輝達 CUDA 憑藉穩定的效能、易用的 API 介面、完整的檔案和多年的開發者社群營運成為開發者的偏好,配合其 GPU 成為資料中心的標配。雖然 AMD 對 GPGPU 的態度沒那麼積極,但看到輝達的 CUDA 之後還是和高通等其他幾個合作廠商在推廣與 CUDA 相似的 OpenCL,另外,AMD 還在 2014 年推出異構系統架構 HSAheterogeneous system architecture),希望打通 CPU 和 GPU 的記憶體空間,解決 CPU 和 GPU 之間記憶體互訪造成的效能損失,不過並未引起波瀾。

看到輝達和 AMD 都陸續推出相關 GPGPU 產品後,英特爾為保持優勢也計畫重新推出獨立顯卡產品 LarrabeeLarrabee 圖形處理項目完全有別於現時所有圖形處理技術(包括英特爾自家 GMA 系列整合式顯示核心),不同於 AMD 及輝達一直以來使用的僅有圖形運算指令的串流處理技術,而是基於自家 x86 架構,指令方面除了擁有部分新圖形處理指令還保有大量 x86 指令,使 Larrabee 擁有更靈活的程式化特徴及更強大的通用運算處理能力,算是英特爾發展多核心 x86 並發運算架構的一個延伸。

英特爾計劃最遲於 2010 年推出 Larrabee 顯示核心為消費級圖形處理器產品,不過這個繼 Intel 740 之後的又一獨立式顯示核心 Larrabee,雖然研發團隊、開發概念等都與英特爾的整合式顯示核心完全不同,但由於多次「跳票」、研發進度不如預期、圖形效能不佳、功耗過高等因素,最終於 2010 年 月宣布取消發表計畫。2011 年,英特爾首度承認 MIC 項目其實就是 Larrabee 項目的後續完善版本。

輝達 CEO 黃仁勳也經常批評 Larrabee 種種不合理之處。他認為 Larrabee 的效能在老舊 x86 架構的拖累下不可能有出色表現。還批評英特爾沒能合理平衡程式化和固定功能,過分強調程式化,而圖形處理工作過程並非全部都可透過程式化達成,即使有但效能也會非常糟糕。他同時認為英特爾此舉純屬故弄玄虛,企圖利用投影片等書面資料敷衍圖像處理業,即使 Larrabee 有產品也只是急就章的不良品。對這些批評,英特爾戲稱他是 Larrabee 的公關經理,還不用給薪水。

還有質疑聲對英特爾利用 x86 核心做 GPU 存疑,認為英特爾仍沒將圖形處理放在首位,因為對常用的圖形程式介面諸如 DirectX 及 OpenGL 都沒有硬體支援而只是軟體支援,即使是英特爾聲稱要開發自家圖形 API 也不過是充分利用多 x86 核心,相當於多核心最佳化。

不過需要指出的是,儘管 Larrabee 項目中止並遭到外界的批評,英特爾同樣在 2010 年公布的 Intel MIC 多處理器架構繼承了大量由「Larrabee」研究計畫而來的設計元素,最大的區別在於前者專注為高效能運算設計的多處理器協同運算,後者是 GPU,同時對輝達及 AMD 研發 GPU 的理念產生不少影響。輝達 2010 年推出的 GeForce 400 系列所用的「Fermi」架構便參考 Larrabee 一些設計概念,將 GPU 內部模組化,每個模組內部下轄多組流處理器(稱「SM」單元)及一些特殊單元,構成一個稱為「GPC」的模組,除了沒有獨立記憶體控制器及顯示匯出單元,每個 GPC 模組相當於一小型 GPU,各 GPC 模組資料共用由新增的全域二級緩衝區達成。AMD 在 2011 年底推出 Radeon HD 7000 系列時所用的「次世代圖形核心」(Graphics Core Next)架構更是大量參考 Larrabee 的設計概念,將一些串流處理器及一些指令分派單元合作一個模組,稱為「CU」

小結

關於英特爾將在 2020 年推出獨立 GPU,目前還沒有更多資訊曝光,我們也難以預測經驗豐富的 Raja Koduri 加入及新成立的核心和視覺計算事業部,能否幫英特爾帶來有競爭力的高階 GPU,擺脫獨立 GPU 研發的「辛酸史」?

更重要的是,英特爾全力轉向 AI 的背景下,如果高階 GPU 研發成功,英特爾將可用 CPU+GPU+FPGA 組合參與 AI 競爭,畢竟 COMPUTEX 2018 期間輝達發表首款專為機器人設計的 AI 晶片 Jetson Xavier 就採用 CPU+GPU+DSP。如果英特爾獨立 GPU 2020 年沒有跳票,英特爾擁有的晶片組合無論在 AI 雲端或終端機,都非常有利其保持晶片領域的霸主地位。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖為 CEO Brian Krzanich,來源:英特爾

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