一文读懂GPU行业
在PC诞生之初，并不存在GPU的概念，所有的图形和多媒体运算都由CPU负责。GPU的发展史概括说来就是NVIDIA、AMD(ATI)的发展史，在此过程中曾经的GPU巨头Imagination、3dfx、东芝等纷纷被后辈超越。一、GPU定义和内部结构
GPU（graphics processing unit）图形处理器，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。
GPU的出现使计算机减少了对CPU的依赖，并解放了部分原本CPU的工作。在3D图形处理时，GPU采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。
GPU的内部组成部份
GPU核心及PCB板
二、GPU体系
我们认为，GPU体系是GPU微架构和图形API的集合。
以目前最新的英伟达安培微架构为例，GPU微架构的运算部份由流处理器(Stream Processor，SP)、纹理单元（Texture mapping unit, TMU)、张量单元（Tensor Core）、光线追踪单元（RT Cores）、光栅化处理单元（ROPs）组成。GPU的API（Application Programming Interface）应用程序接口发挥着连接应用程序和显卡驱动的桥梁作用 。
三、GPU显存
GPU显存是用来存储显卡芯片处理过或者即将提取的渲染数据，是GPU正常运作不可或缺的核心部件之一。GPU的显存可以分为独立显存和集成显存两种 。目前，独立显存主要采用GDDR3、GDDR5 、GDDR5X、GDDR6，而集成显存主要采用DDR3、DDR4。服务器GPU偏好使用Chiplet形式的HBM显存，最大化吞吐量。集成显存受制于64位操作系统的限制，即便组成2通道甚至4通道，与独立显存的带宽仍有相当差距。通常这也造成了独立GPU的性能强于集成GPU。
四、GPU需求概述
过去20多年里，GPU的基本需求源于视频加速，2D/3D游戏。随后GPU运用自身在并行处理和通用计算的优势，逐步开拓服务器、汽车、矿机、人工智能、边缘计算等领域的衍生需求。虽然GPU无法离开CPU独立运作，但是在当前“云化”加速的时代，离开了GPU的CPU也无法胜任庞大的计算需求。所以GPU和CPU组成了异构运算体系，从底层经由系统软件和驱动层支持着上层的各种应用。GPU已经成为了专用计算时代的刚需。
五、GPU供给概述
GPU的供给涉及设计、制造、封测三个主要环节，整体供给模式有IDM和Fab+Fabless两种。
IDM模式将设计、制造和封测集中在一起，代表厂商有英特尔。Fab+Fabless模式的代表有AMD设计，台积电制造，通富微电封测；ARM阵营的苹果设计，台积电制造，日月光封测。
目前GPU的先进设计、先进制造主要被美系、韩系和中国台湾所控制。中国大陆企业华为和中芯国际遭到美国实体清单限制，未来发展艰难。封测方面，长电科技和通富微电已经掌握先进封测技术，已经有能力为苹果、AMD提供封测技术支持。
六、GPU的需求侧推动
汽车GPU的用例几乎涵盖了从ADAS到自动驾驶，从仪表到中控信息系统等多个车载系统。在实际大规模量产领域，基于深度学习的ADAS系统是GPU的主力战场。不同于消费级GPU，汽车GPU需要满足诸如AEC-Q100等车规认证，快速生成冗余备份，在冗余备份中进行二次处理，确保功能的安全执行。安全关键图形和计算能力是下一代车载系统的要求。
服务器GPU，即在服务器中使用的GPU，它从底层支持着整个服务器产业链。服务器GPU被广泛应用于AI、数据分析、高性能计算与渲染等领域。不过服务器是网络中的重要设备，要接受少至几十人、多至成千上万人的访问，因此对服务器GPU具有大数据量的快速吞吐、超强的稳定性、长时间运行等严格要求。在AI服务器领域，相较于其他运算单元，服务器GPU因较高的可编程性和不错的通用性能，被用作特定应用处理器（ASP），部署在云端、办公室、数据中心、边缘计算。
七、GPU的供给
台积电公司目前在中国台湾本土拥有四座十二寸超大晶圆厂、四座八寸晶圆厂和一座六寸晶圆厂。
三星电子晶圆代工的全栈先进工艺包括28/18纳米FD-SOI，14/11/10/8/7/5/4纳米FinFET，7/5/4纳米EUV，3纳米GAA和其他特定科技。
格罗方德最初由AMD拆分而来，目前拥有5家200毫米和5家300毫米晶圆厂，覆盖了主要成熟制程和部份先进制程，其中位于德累斯顿、新加坡、纽约的晶圆厂有能力生产300毫米晶圆，弗里蒙特厂主要生产200毫米晶圆。格罗方德总产能达到770万片/月。
英特尔在全球有九家制造厂，其中有六家晶圆厂、三家组装测试厂。
八、GPU的全球格局
2020年全球GPU市场价值预计为254.1亿美元，预计2027年将达到1853.1亿美元，年平均增速为32.82%。
全球GPU已经进入了寡头垄断的格局。在传统GPU市场中，排名前三的Nvidia、AMD、Intel的营收几乎可以代表整个GPU行业收入。英伟达的收入占56%、AMD占26%、英特尔占18%。
在手机和平板GPU方面，联发科、海思麒麟、三星Exynos的GPU设计主要基于公版ARM Mali GPU或PowerVR微架构。高通骁龙Adreno和苹果A系列采用自研GPU微架构。2019Q2，ARM、高通、苹果、Imagination科技、英特尔是全球智能手机和平板的前五大GPU供应商。同期ARM Mali在以上五大GPU供应商中占43%的市场份额，高通Adreno占36%的份额，苹果占12%的份额。
九、国产GPU的发展历程
国产GPU的发展落后于国产CPU，直到2014年4月，景嘉微才成功研发出国内首款国产高性能、低功耗GPU芯片—JM5400。在国产GPU的开发中，GPU对CPU的依赖性和GPU的高研发难度，阻碍了该产业的快速发展。
首先，GPU对CPU有依赖性。GPU结构没有控制器，必须由CPU进行控制调用才能工作，否则GPU无法单独工作。所以国产CPU较国产GPU先行一步是符合芯片产业发展逻辑的。
再者，GPU技术难度很高。Moor Insights & Strategy首席分析师莫海德曾表示：“相比CPU，开发GPU要更加困难，而GPU设计师、工程师和驱动程序的作者都要更少。”国内人才缺口也是国产GPU发展缓慢的重要原因之一。在芯片行业，一般来说，培养一位拥有丰富经验并且能够根据市场动态及时修改芯片设计方案的成熟工程师，至少需要10年。
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