GPUGPU主要用途及相關(guān)API標(biāo)準(zhǔn)

在大國(guó)博弈、貿(mào)易摩擦的大背景之下，反制“卡脖子”的國(guó)產(chǎn)化替代浪潮滾滾而來。本期內(nèi)容將為大家?guī)砦覀儗?duì)GPU國(guó)產(chǎn)化替代的初步探索：GPU API的主要用途及國(guó)內(nèi)主流GPU對(duì)這些API的支持現(xiàn)狀。

作者：廖長(zhǎng)軍、仇昌棟

單位：中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心成都分公司

Part 01 ●??GPU主要用途及相關(guān)API標(biāo)準(zhǔn)?●?

本期內(nèi)容探索的GPU主要用途包括：圖形渲染、計(jì)算加速、視頻編解碼。

圖形渲染：GPU可以加速三維圖形的渲染，使得復(fù)雜的三維場(chǎng)景可以以流暢的幀率顯示在屏幕上；也能支持多種圖形效果，如陰影、反射、抗鋸齒等，可以提高圖像的真實(shí)感和美觀度。

計(jì)算加速：GPU擁有比CPU更強(qiáng)的并行計(jì)算能力，可以加速各種計(jì)算密集型任務(wù)，例如對(duì)圖像進(jìn)行濾波、變換等操作。

視頻編解碼：GPU可以加速視頻編解碼的過程，使得視頻的壓縮和解壓縮速度更快。GPU可以通過硬件加速的方式來處理視頻編解碼，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高視頻處理的速度和效率。

基于這些主要用途，每個(gè)分類都有對(duì)應(yīng)的API標(biāo)準(zhǔn)支持，分別是圖形渲染API標(biāo)準(zhǔn)、通用計(jì)算API標(biāo)準(zhǔn)和視頻編解碼API標(biāo)準(zhǔn)。

Part 02 ●??圖形渲染API標(biāo)準(zhǔn)?●?

GPU的圖形渲染API標(biāo)準(zhǔn)主要有：OpenGL、Vulkan、DirectX。（注意：本文中OpenGL泛指OpenGL家族相關(guān)API，包括：OpenGL、OpenGL ES、WebGL等。）

2.1 OpenGL

OpenGL（Open Graphics Library）是一種用于渲染2D和3D圖形的跨平臺(tái)圖形庫(kù)，它提供了一組功能強(qiáng)大的API，用于管理圖形渲染流程和圖形硬件的交互。它可以在多個(gè)操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)上運(yùn)行：

Windows：OpenGL在Windows操作系統(tǒng)上廣泛支持，甚至Windows95也能找到OpenGL的支持。

Linux：幾乎所有的Linux發(fā)行版都支持OpenGL。

MacOS：OpenGL是MacOS的默認(rèn)圖形庫(kù)。

Android：開發(fā)者可以使用OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）來創(chuàng)建移動(dòng)設(shè)備上的圖形應(yīng)用程序。

iOS：與Android類似，可以通過OpenGL ES來創(chuàng)建iOS設(shè)備（如：iPhone、iPad等）上的圖形應(yīng)用程序。

Web：在Web瀏覽器中，可以通過WebGL（Web Graphics Library）來實(shí)時(shí)渲染2D或3D圖形。WebGL是一種基于OpenGL ES的Web標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 Vulkan

Vulkan與OpenGL一樣由Khronos Group開發(fā)，它旨在提供更高效、更可擴(kuò)展的圖形和計(jì)算性能，同時(shí)保持跨平臺(tái)兼容性。相對(duì)于OpenGL，Vulkan有以下優(yōu)勢(shì)：

更高的性能：Vulkan能夠更好地利用多核處理器和GPU的并行計(jì)算能力，提供更高的幀率和更低的延遲。

更好的可擴(kuò)展性：Vulkan的設(shè)計(jì)允許開發(fā)者更好地管理資源和內(nèi)存，并能夠更好地適應(yīng)不同的硬件平臺(tái)。

更嚴(yán)格的驗(yàn)證：Vulkan強(qiáng)制執(zhí)行更嚴(yán)格的規(guī)則和驗(yàn)證，以避免錯(cuò)誤，提高穩(wěn)定性和可靠性。

更靈活的管道：Vulkan的管道可以通過自定義擴(kuò)展來適應(yīng)不同的需求，從而提供更大的靈活性。

更好的跨平臺(tái)兼容性：Vulkan支持更多的操作系統(tǒng)，可以在各種平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更高的性能。

但也有以下劣勢(shì)：

學(xué)習(xí)曲線陡峭：開發(fā)過程需要維護(hù)更多與GPU硬件交互的細(xì)節(jié)，需要更多的時(shí)間和精力來學(xué)習(xí)和掌握。

缺乏成熟的工具和庫(kù)：相對(duì)于OpenGL，Vulkan的支持工具和庫(kù)還不夠成熟，需要更多的自行開發(fā)和定制。

更多的代碼：相對(duì)于OpenGL，Vulkan需要更多的代碼來實(shí)現(xiàn)相同的功能，需要更多的開發(fā)時(shí)間和勞動(dòng)力。

2.3 DirectX

DirectX是微軟開發(fā)的一套多媒體編程接口，包含Direct3D、Direct2D等等多個(gè)不同用途的子部分，用于游戲開發(fā)、圖像處理等領(lǐng)域。它主要支持：2D渲染、3D渲染、多媒體處理、輸入輸出設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)通信等。

相對(duì)于OpenGL與Vulkan：

DirectX只能在Windows或者Xbox系統(tǒng)上使用；

采用C++編程開發(fā)，不支持多語(yǔ)言開發(fā)；

Part 03 ●??通用計(jì)算API標(biāo)準(zhǔn)?●?

GPU的通用計(jì)算API標(biāo)準(zhǔn)主要有：OpenCL、CUDA。

3.1 OpenCL

OpenCL（Open Computing Language）是一個(gè)為異構(gòu)平臺(tái)編寫程序的框架，提供了基于任務(wù)分割和數(shù)據(jù)分割的并行計(jì)算機(jī)制。OpenCL的主要功能特性如下：

并行計(jì)算：支持并行執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，使得計(jì)算速度提高。

跨平臺(tái)支持：是一個(gè)跨平臺(tái)的開發(fā)框架，可以在不同的操作系統(tǒng)和硬件上運(yùn)行，比如：Windows、Linux、MacOS、Android等。但是，OpenCL的支持程度取決于硬件廠商和驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。通常，NVIDIA、AMD、Intel等主流GPU廠商在硬件以及驅(qū)動(dòng)層面都提供了對(duì)OpenCL的支持，國(guó)產(chǎn)大部分GPU廠商也提供了對(duì)OpenGL的支持，如：摩爾線程、景嘉微、芯動(dòng)科技、格蘭菲等。

多設(shè)備支持：支持多種設(shè)備，包括CPU、GPU、DSP、FPGA等。

多線程支持：支持多線程執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，可以充分利用多核CPU和GPU的性能。

動(dòng)態(tài)編譯：支持動(dòng)態(tài)編譯，可以根據(jù)不同的硬件環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。

內(nèi)存管理：提供了內(nèi)存管理功能，可以對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配、釋放、傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

數(shù)學(xué)庫(kù)支持：提供了數(shù)學(xué)庫(kù)支持，可以進(jìn)行向量、矩陣計(jì)算等操作。

圖像處理：提供了圖像處理功能，可以進(jìn)行圖像處理、濾波、變換等操作。

3.2 CUDA

CUDA（Compute Unified Device Architecture）是NVIDIA推出的一種用于GPU并行計(jì)算的平臺(tái)和編程模型。它允許開發(fā)者使用GPU來加速計(jì)算密集型應(yīng)用程序，包括科學(xué)計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、圖形處理、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。CUDA提供了一種高效的編程模型和工具鏈，使得開發(fā)者可以充分利用GPU的并行計(jì)算能力，從而加速應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

CUDA支持的主要功能如下：

并行計(jì)算：允許程序在GPU上并行執(zhí)行，從而充分利用GPU的并行計(jì)算能力。開發(fā)者可以使用CUDA C/C++語(yǔ)言編寫并行計(jì)算程序，或者使用CUDA工具鏈將現(xiàn)有的C/C++代碼轉(zhuǎn)化為CUDA代碼。

GPU加速：提供一種高效的GPU加速技術(shù)，可以將計(jì)算密集型任務(wù)移植到GPU上，從而大大提高應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

大規(guī)模數(shù)據(jù)處理：處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。開發(fā)者可以利用CUDA的并行計(jì)算能力，快速處理這些數(shù)據(jù)，從而加速應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

深度學(xué)習(xí)：提供了一種高效的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)，可以加速深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和推理。開發(fā)者可以使用CUDA加速深度學(xué)習(xí)框架，如TensorFlow、PyTorch等。

圖形處理：加速圖形處理任務(wù)，如圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等。

Part 04 ●?視頻編解碼API標(biāo)準(zhǔn)?●?

基于GPU的視頻編解碼API標(biāo)準(zhǔn)主要有：OpenMAX DL、VDPAU、VA-API、NVENC/NVDEC等。

4.1 OpenMAX DL

OpenMAX是一個(gè)不需要授權(quán)、跨平臺(tái)的用來處理多媒體內(nèi)容的軟件抽象層API集合。OpenMAX包含三層API：應(yīng)用層（OpenMAX AL）、整合層（OpenMAX IL）、開發(fā)層（OpenMAX DL）。涉及視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的API則位于OpenMAX DL。

OpenMAX DL API定義了一組低層級(jí)的多媒體內(nèi)核或媒體處理API標(biāo)準(zhǔn)，包含多個(gè)方面：

a.信號(hào)處理（signal processing）：通用音頻處理函數(shù)

b.圖像處理（image processing）：通用圖像處理函數(shù)

c.音頻編解碼（audio coding）：音頻編解碼器（MP3 解碼器和 AAC 解碼器組件）

d.圖像編解碼（image coding）：圖像編解碼器（JPEG 組件）

e.視頻編解碼（video coding）：視頻編解碼器（H.264 和 MP4 組件）

4.2 VDPAU

VDPAU（Video Decode and Presentation API for Unix） 是為UNIX 系統(tǒng)視頻解碼/顯示制定的開源的API標(biāo)準(zhǔn)。VDPAU 允許視頻程序訪問 GPU 上的專用視頻解碼組件（ASIC），以將部分視頻解碼和視頻處理過程從 CPU 調(diào)度到 GPU進(jìn)行。

當(dāng)前能夠通過VDPAU調(diào)度到GPU上的處理過程包括對(duì)MPEG-1、MPEG-2、H.263/MPEG-4 ASP、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、WMV3、WMV9等編碼視頻的Deblocking工作。

4.3 VA-API

VA-API（Video Acceleration API）是一種允許視頻程序使用GPU提供的硬件視頻加速功能的API規(guī)范。最初由Intel為其特有GPU硬件設(shè)計(jì)，目前已不局限于Intel特定硬件，其他廠商的硬件也可以免費(fèi)使用并支持這個(gè)開放API標(biāo)準(zhǔn)。

類似VDPAU，VA-API 的主要目的也是為視頻編解碼的過程中的多個(gè)環(huán)節(jié)提供硬件加速功能。VA-API主要支持的編碼格式包括：MPEG-2、H.263/MPEG-4 ASP、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、VP9等。

4.4 NVENC/NVDEC

NVIDIA GPU通過獨(dú)立于 CUDA 核心的編/解碼器（對(duì)應(yīng)NVENC/NVDEC）為幾種主要的編碼格式提供基于硬件的視頻編解碼加速，包括：AV1、MPEG-2、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、VP8、VP9等。

Part 05 ●??國(guó)產(chǎn)GPU支持現(xiàn)狀及總結(jié)?●?

結(jié)合團(tuán)隊(duì)目前調(diào)研的云VR渲染應(yīng)用場(chǎng)景，我們重點(diǎn)關(guān)注國(guó)產(chǎn)GPU的以下方面：

虛擬化，使得一張物理GPU支持多個(gè)虛擬機(jī)。

圖形渲染算力及API支持情況。

操作系統(tǒng)支持，主流及國(guó)產(chǎn)OS。

綜合以上維度，國(guó)內(nèi)最新GPU產(chǎn)品詳細(xì)對(duì)比如下（通用計(jì)算領(lǐng)域GPU除外）：

綜上對(duì)比信息，MTT S3000和風(fēng)華1號(hào)在云渲染領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。

編輯：黃飛