重磅：一文看完GPU八大應(yīng)用場(chǎng)景，搶食千億美元市場(chǎng)

在人工智能時(shí)代，隨著對(duì)芯片大算力和低功耗的要求提高，GPU的市場(chǎng)滲透率正不斷提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年GPU市場(chǎng)規(guī)模為254.1億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到1853.1億美元，從2021年到2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為32.82％。

數(shù)據(jù)來源：Verified Market Research

目前智能手機(jī)占據(jù)全球GPU市場(chǎng)份額的主導(dǎo)地位，但隨著自動(dòng)駕駛、醫(yī)療設(shè)備、游戲設(shè)備、加密貨幣等領(lǐng)域?qū)PU需求的不斷增長(zhǎng)，未來GPU應(yīng)用市場(chǎng)將會(huì)被多領(lǐng)域劃分，誰將是增長(zhǎng)最快的應(yīng)用市場(chǎng)呢？

答案或許就在以下GPU八大應(yīng)用場(chǎng)景中。

游戲設(shè)備

如果你是一位游戲愛好者，你大概率會(huì)知道購(gòu)買游戲設(shè)備，會(huì)更看重其GPU性能。即所謂的“CPU決定下限，GPU決定上限”。GPU大體決定了游戲分辨率、特效能開多高，對(duì)于用戶的游戲體驗(yàn)起到關(guān)鍵性作用。

一直以來，游戲繪圖是GPU的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，GPU能為游戲開發(fā)者提供電影級(jí)畫質(zhì)的實(shí)時(shí)渲染，以增強(qiáng)游戲用戶體驗(yàn)。何以實(shí)現(xiàn)？一個(gè)字：快！

• GPU并行計(jì)算的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、可以執(zhí)行海量數(shù)據(jù)計(jì)算；

• GPU訪存速度快；

• GPU擁有更高的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，對(duì)圖形與媒體加工速度快。

也正是憑著實(shí)時(shí)渲染游戲畫質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，GPU占據(jù)大份額游戲PC和顯示屏市場(chǎng)。隨著全球游戲PC和顯示器出貨量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，未來游戲渲染場(chǎng)景對(duì)GPU需求旺盛。

IDC數(shù)據(jù)顯示，2020年游戲PC和顯示器的出貨量同比增長(zhǎng)26.8％，達(dá)到5500萬臺(tái)。同樣的，JPR數(shù)據(jù)顯示，2020年全球GPU出貨3.94億片，同比增長(zhǎng)17.9%。

全球GPU巨頭英偉達(dá)（Nvidia）的年報(bào)也顯示，游戲是其最大市場(chǎng)，占比46.5%。

2020年Nvidia各市場(chǎng)營(yíng)收占比，數(shù)據(jù)來源：Nvidia年報(bào)

消費(fèi)電子

目前智能手機(jī)市場(chǎng)占據(jù)了全球GPU市場(chǎng)份額的主導(dǎo)地位，此外，智能音箱、智能手環(huán)/手表、VR/AR眼鏡等移動(dòng)消費(fèi)電子都是GPU潛在的市場(chǎng)。

應(yīng)用于手機(jī)等嵌入式、移動(dòng)終端等領(lǐng)域的GPU芯片，一般體積小、耗電低、性能無需特別強(qiáng)大，但也支持諸多功能，不限于創(chuàng)建圖像、圖像處理、計(jì)算攝影、手勢(shì)識(shí)別等，能為消費(fèi)者帶來全新的移動(dòng)設(shè)備視覺體驗(yàn)。

移動(dòng)端GPU主要采用集成GPU，集成GPU常和CPU共用一個(gè)Die，共享系統(tǒng)內(nèi)存。而隨著智能手機(jī)應(yīng)用更加豐富，GPU的優(yōu)勢(shì)更加明顯，比如拍照、導(dǎo)航地圖的合成、UI圖標(biāo)、圖像框、照片的后處理等都需要GPU來完成。

但GPU于手機(jī)及PC端滲透率基本見頂，根據(jù)中國(guó)社科院數(shù)據(jù)，2011-2018年全球主要國(guó)家PC每百人滲透率呈下降趨勢(shì)，智能手機(jī)對(duì)PC具有一定替代性。而云計(jì)算與智能駕駛及AI的興起對(duì)高算力產(chǎn)生新需求，將帶來高性能GPU市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。

GPU分類與主要廠商，資料來源：架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟、華西證券研究所

云端AI服務(wù)器

AI服務(wù)器通常搭載GPU、FPGA、ASIC等加速芯片，利用CPU與加速芯片的組合可以滿足高吞吐量互聯(lián)的需求，為自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺、語(yǔ)音交互等人工智能應(yīng)用場(chǎng)景提供強(qiáng)大的算力支持，支撐AI算法訓(xùn)練和推理過程。

當(dāng)前在云端場(chǎng)景下被最廣泛應(yīng)用的AI芯片是英偉達(dá)的GPU，主要原因是：強(qiáng)大的并行計(jì)算能力（相比CPU）、通用性以及成熟的開發(fā)環(huán)境。

2020年全球AI服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模為122億美元，預(yù)計(jì)到2025年全球AI智能服務(wù)器市場(chǎng)將達(dá)到288億美元，5年CAGR達(dá)到18.8%。

2020-2025年全球AI服務(wù)器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增速（單位：億美元），來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院

自動(dòng)駕駛

GPU兼具技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)，已成為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域主流。

一方面，行車過程中依賴?yán)走_(dá)等傳感器對(duì)道理信息進(jìn)行采集后，處理器每秒需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析幾G量級(jí)數(shù)據(jù)，每秒可以產(chǎn)生超過1G的數(shù)據(jù)。因此自動(dòng)駕駛對(duì)處理器的計(jì)算量要求較高。

另一方面，處理分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，需要在毫秒的時(shí)間精度下對(duì)行車路徑、車速進(jìn)行規(guī)劃，保障行車過程安全，對(duì)處理器的計(jì)算速度要求也較高。

而GPU采用流式并行計(jì)算模式，可對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)行獨(dú)立的并行計(jì)算,擅長(zhǎng)大規(guī)模并發(fā)計(jì)算，正是自動(dòng)駕駛所需要的。

目前汽車電子控制系統(tǒng)是分布式ECU架構(gòu)，不同的信息娛樂、車身、車輛運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力總成系統(tǒng)及其細(xì)分功能分別由不同獨(dú)立的ECU單元進(jìn)行獨(dú)立控制，部分高檔車型上的ECU數(shù)量超過100個(gè)。未來，汽車電子操控系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步向著集中化、軟硬件解耦及平臺(tái)化方向發(fā)展，汽車將會(huì)由統(tǒng)一的超算平臺(tái)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合、決策最終實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的自動(dòng)駕駛功能。

來源：地平線公司官網(wǎng)

2021年4月13日，Nvidia發(fā)布最新一代超算力芯片Atlan，單芯片算力達(dá)1,000TOPS，可滿足L5需求，預(yù)計(jì)2023年提供樣品。

除了自動(dòng)駕駛，GPU還在汽車設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中被廣泛使用。汽車設(shè)計(jì)部門面臨越來越大的壓力，需要迅速實(shí)現(xiàn)汽車創(chuàng)新，響應(yīng)市場(chǎng)不斷變化的需求。遠(yuǎn)程工作人員，外部供應(yīng)商和合作伙伴需要更快，更好地訪問數(shù)據(jù)。GPU使汽車制造商可以更輕松地與全球團(tuán)隊(duì)建立和協(xié)作，并根據(jù)需要擴(kuò)展其計(jì)算資源。

邊緣計(jì)算

在邊緣計(jì)算場(chǎng)景，AI芯片主要承擔(dān)推斷任務(wù)，通過將終端設(shè)備上的傳感器（麥克風(fēng)陣列、攝像頭等）收集的數(shù)據(jù)代入訓(xùn)練好的模型推理得出推斷結(jié)果。

GPU作為最成熟的通用型AI芯片，將受益于廣泛的邊緣計(jì)算場(chǎng)景。包括物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景。

不同邊緣計(jì)算場(chǎng)景對(duì)AI芯片性能要求，來源：艾瑞咨詢

由于邊緣側(cè)場(chǎng)景多種多樣、各不相同，對(duì)于計(jì)算硬件的考量也不盡相同，對(duì)于算力和能耗等性能需求也有大有小。因此應(yīng)用于邊緣側(cè)的計(jì)算芯片需要針對(duì)特殊場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的解決方案。

智慧安防

安防攝像頭發(fā)展經(jīng)歷了由模擬向數(shù)字化、數(shù)字化高清到現(xiàn)在的數(shù)字化智能方向的發(fā)展，最新的智能攝像頭除了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的錄、存功能外，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化圖像數(shù)據(jù)分析。

安防攝像頭一天可產(chǎn)生20GB數(shù)據(jù)，若將全部數(shù)據(jù)回傳到云數(shù)據(jù)中心將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心資源造成極大占用。通過在攝像頭終端、網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)加裝AI芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)的本地化實(shí)時(shí)處理，經(jīng)過結(jié)構(gòu)化處理、關(guān)鍵信息提取，僅將帶有關(guān)鍵信息的數(shù)據(jù)回傳后方，將會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬壓力。

當(dāng)前主流解決方案分為：前端攝像頭設(shè)備內(nèi)集成AI芯片和在邊緣側(cè)采取智能服務(wù)器級(jí)產(chǎn)品。前端芯片在設(shè)計(jì)上需要平衡面積、功耗、成本、可靠性等問題，最好采取低功耗、低成本解決方案（如：DSP、ASIC）；邊緣側(cè)限制更少，可以采取能夠進(jìn)行更大規(guī)模數(shù)據(jù)處理任務(wù)的服務(wù)器級(jí)產(chǎn)品（如：GPU、ASIC）。

AI芯片在智能安防攝像頭中的應(yīng)用，資料來源：艾瑞咨詢，CPS中安網(wǎng)、HIS

GPU可以加速處理快速膨脹的數(shù)據(jù)與視頻資料，在智慧安防視頻處理方面有很好的應(yīng)用前景。

加密貨幣

比特幣等加密貨幣的行情火爆帶動(dòng)礦卡GPU需求，2020Q4-2021Q2全球PC GPU單季度出貨量連續(xù)三個(gè)季度超過1億片，2021Q2達(dá)到1.23億片，同比大增42%。

礦機(jī)算力的大小決定挖礦的速度，算力越大，挖礦越快。除了主流的ASIC礦機(jī)，加密貨幣挖礦用的最多大概是GPU礦機(jī)了。

GPU的硬件特點(diǎn)是：核心數(shù)量非常多、單個(gè)核心的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、適合進(jìn)行大量重復(fù)性的一般運(yùn)算，比如咱們玩游戲、3D設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是大量、而且重復(fù)性的一般運(yùn)算，而GPU的核心數(shù)量（稱為流處理器）非常多，通常在幾千顆，比如A卡的RX570，流處理器就高達(dá)2048顆。

而挖礦，恰好就是大量而且重復(fù)性的一般運(yùn)算，正好跟GPU的性能特點(diǎn)相符合，GPU非常適合這種無腦性算法，流處理器數(shù)目越多越占優(yōu)勢(shì)。

盡管不少國(guó)家對(duì)于加密貨幣的監(jiān)管加嚴(yán)，且存在金融風(fēng)險(xiǎn)，但不防礙加密貨幣行業(yè)的蓬勃發(fā)展。截至2021年9月，所有加密資產(chǎn)的總市值已超過2萬億美元，自2020年初以來增長(zhǎng)了9倍。未來隨著加密資產(chǎn)變得越來越主流，對(duì)于GPU礦機(jī)的需求也勢(shì)必會(huì)增大。

醫(yī)療影像設(shè)備

近年來，在深度學(xué)習(xí)和GPU加速運(yùn)算快速發(fā)展之下，人工智能成為滿足醫(yī)療影像需求日益增長(zhǎng)的推手。多份醫(yī)療市場(chǎng)研究報(bào)告指出，醫(yī)療影像領(lǐng)域中的人工智能市場(chǎng)規(guī)模，于2021至2026年間，預(yù)計(jì)將以30%的年復(fù)合成長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。

醫(yī)療影像涉及一系列復(fù)雜的訊號(hào)和影像重組過程，這些過程將X光或超音波感測(cè)器檢測(cè)到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2D橫切面或3D立體影像。這種影像處理耗時(shí)、數(shù)據(jù)量大、要求畫面渲染品質(zhì)準(zhǔn)確且穩(wěn)定。

憑著強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，GPU可以完成影像即時(shí)渲染，再結(jié)合深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)路的訓(xùn)練和推論提供矩陣運(yùn)算加速，可助于移除假影、調(diào)整對(duì)比度、增強(qiáng)銳度，獲得更清晰的醫(yī)學(xué)圖像。

結(jié)語(yǔ)：

以上，是GPU主流的應(yīng)用場(chǎng)景，但GPU還有部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域。包括軍事、航空、信創(chuàng)等，但市場(chǎng)需求量較小。比如，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)軍用GPU市場(chǎng)規(guī)模僅約1176萬元。綜合來看，未來GPU增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)在于在GPU在服務(wù)器、自動(dòng)駕駛滲透率的提升。