图形GPU：产业化发展和标准现状

1、前 GPU时代

1981年世界上第一台个人电脑 IBM5150 由 IBM 公司发布，其搭配黑白显示适配器与彩色图形适配器,是最早的图形显示控制器。后续随着 GE 等图形处理器功能不断完善，图形处理功能逐渐由 CPU 向 GPU(前身)转移。

2、GPU 诞生

在20世纪90年代，NVIDIA 作为一家新兴的科技公司，瞄准了个人电脑（PC）领域中日益增长的 3D 图形市场。1999 年，NVIDIA 推出了其具有里程碑意义的产品——GeForce256 图形处理器（GPU），这是首款真正意义上将图形处理功能从中央处理器（CPU）中分离出来的 GPU。

GeForce256 的关键创新在于它集成了 T&L（Transform and Lighting，变换和光照）硬件，这是用于处理图形中复杂的三维效果如整体角度旋转和光影渲染的功能。在此之前，这些计算任务主要由 CPU 承担，这不仅消耗了大量 CPU 资源，还限制了图形渲染的性能和效率。通过将 T&L 功能整合进 GPU，GeForce256 能够独立处理三维顶点的空间坐标变换和光照计算，从而显著减轻了 CPU 的负担，使即使是低端 CPU 也能流畅运行要求较高的 3D 游戏。

GeForce256 的这一设计革新标志着 GPU 概念的诞生，即一个专门用于图形处理的独立单元。它不仅提供了更强的图形处理能力，而且由于降低了对 CPU性能的依赖，使得 NVIDIA 能够在市场中以更具竞争力的价格提供产品，从而赢得了市场份额的持续增长。

随后，随着 PC 游戏的复杂度不断提高，对于图形处理的需求也随之增加，特别是对顶点和像素的计算变得更加复杂。为了满足这一需求，NVIDIA 继续推进 GPU 技术的发展。在 2001 年，NVIIA 的 GeForce 3（NV20）GPU 引入了可编程的顶点着色器，允许开发者自定义顶点的处理方式，为游戏带来了更为精细和真实的视觉效果。紧接着，在 2002 年的 GeForce FX 系列中，NVIDIA 又加入了可编程的片元着色器，进一步增强了 GPU 的灵活性和图形渲染能力，使得 GPU能够根据不同的场景和需求动态调整渲染效果，从而开创了现代 GPU 图形处理的新纪元。

3、国内图形GPU市场现状

在中国市场，我国GPU应用场景市场持续保持增长。同时，在美国限制中国进口部分美国厂商GPU产品的情况下，GPU国产替代需求旺盛，也为优质国产企业提供了良好的发展空间。

因此，我国GPU行业虽然起步时间较晚，但是近几年在资本的加持、人工智能的市场催化以及国家相关政策的支持下，吸引了大量企业进入这一赛道，市场呈现出“百花齐放”的态势，甚至景嘉微、芯动科技等企业研发出一些表现出色的产品。

（1）国产化图形 GPU 芯片的现状主要体现在以下三个方面：

技术差距：国产 GPU 芯片与国外领先品牌如英伟达相比，在单片性能上存在较大差距，通常只能达到英伟达同类产品的约 60%-70%水平。这种性能差距主要源于技术积累不足和研发能力的限制。

产能问题：国产 GPU 芯片的产能问题也是一个重要挑战。由于国内制造工艺和技术尚未完全成熟，大部分国产 GPU 芯片的制造仍依赖台积电，导致在排期和成本上缺乏话语权。此外，资金投入和技术突破也是产能问题的关键。

软件配套：除了硬件性能和产能，软件配套也是一个重要问题。目前，大多数模型和算法都是基于英伟达的芯片开发和优化的，国产 GPU 在软件方面面临较大的挑战。

（2）国产化图形 GPU 芯片的发展趋势：

政策支持：国家对半导体产业的支持力度不断加大，政策扶持和资金投入为国产 GPU 芯片的发展提供了有力保障。例如，政府对关键技术领域的投资和补贴政策有助于推动技术创新和市场拓展。

市场需求：随着智能制造、自动驾驶、虚拟仿真等高性能计算场景的需求增加，国产 GPU 芯片在这些领域的应用前景广阔。特别是在军工、军队、政企等单位，拥有自主知识产权的 GPU 可以减少对国外技术的依赖，降低安全风险。

技术创新：国产 GPU 芯片在技术创新方面也在不断努力。例如，一些厂商通过堆叠芯片来提升算力，尽管这种方法会增加体积和能耗，但在某些应用场景中仍具有一定的竞争力。此外，国内芯片制造商正在加大研发投入，努力缩小与国外领先水平的差距。

4、图形化标准现状

图形显示技术生态体系主要涉及到五大标准组织，分别为：

Khronos：一个由超过150家硬件和软件公司组成的联盟，致力于定义开放标准以促进计算、图形和动态媒体的互操作性。它负责开发多个重要的图形API和标准，包括OpenGL、Vulkan和OpenXR，可以支持从桌面到移动设备的各种应用程序，确保开发者能够创建高性能的图形和计算应用。

AOUSD：美国3D内容行业的5家主要公司苹果、英伟达、皮克斯、Adobe和Autodesk联合成立，旨在推动3D图形和虚拟世界行业的开放标准。该组织专注于增强不同3D工具和数据之间的互操作性，促进创作者、开发者和设计师之间的无缝协作，通过制定OpenUSD规范，推动3D内容创建过程中的数据建模、聚合和渲染等方面的一致性。

MPEG：由ISO和IEC共同成立的一组工作组，专注于媒体编码标准的制定，包括音频、视频、图形及基因数据的压缩编码。MPEG制定了多个广泛使用的标准，如MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4，这些标准在多媒体系统中得到广泛应用，为数字电视、DVD等提供了基础技术支持。

ASWF：致力于推动开源软件在视觉效果和动画行业应用的组织。成立于2018年，该基金会旨在通过提供共享资源和支持来促进开源项目的发展，特别是在电影制作和动画领域。ASWF支持多个开源项目，包括OpenColorIO和OpenEXR，旨在提升行业效率和协作能力

W3C：其标准制定不仅限于网页内容的结构和交互(Web标准)，还包括图形化标准，例如SVG（可缩放矢量图形）允许在Web上创建高质量、可缩放的图形。

图形化GPU主要有三个影响力较大的图形和计算标准。首先是OpenGL，它是国际标准化组织Khronos于1997年推出的。从2007年开始，OpenGL相继发布了三个版本，基本上确定了整个图形渲染所需完成的任务。与此同时，微软推出了DirectX，这是微软专门针对Windows平台的图形标准。另外一个标准是Vulkan，该标准与OpenGL一样由Khronos Group开发，旨在提供更高效、更可扩展的图形和计算性能，同时保持跨平台兼容性。