GPU市場(chǎng)空間和應(yīng)用趨勢(shì)洞察
圖形處理單元（GPU），也稱(chēng)為視覺(jué)處理單元，是一種計(jì)算機(jī)芯片，與CPU相比，它由數(shù)百個(gè)可同時(shí)處理數(shù)千個(gè)線(xiàn)程的內(nèi)核組成。CPU缺少帶高速緩存的內(nèi)核，這限制了它同時(shí)處理多個(gè)線(xiàn)程的能力。圖形處理單元位于主板上的芯片組中或與CPU相同的芯片中。獨(dú)立卡中的GPU包含自己的RAM，但是在芯片組中，它們與CPU共享主內(nèi)存。
圖形處理單元使用晶體管來(lái)執(zhí)行與3D圖形有關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算。GPU被廣泛用于便攜式電子設(shè)備，例如平板電腦，筆記本電腦，可穿戴設(shè)備，移動(dòng)電話(huà)等。集成和混合型GPU一直在發(fā)展，以取代人工智能平臺(tái)，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及超級(jí)計(jì)算機(jī)等應(yīng)用程序中的專(zhuān)用GPU。
GPU市場(chǎng)規(guī)模約為4400萬(wàn)個(gè)，2017年行業(yè)收入超過(guò)120億美元，從2018年到2024年，復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò)30％。2019年全球GPU市場(chǎng)規(guī)模為197.5億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到2008.5億美元，從2020年到2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為33.6％。
GPU市場(chǎng)可以根據(jù)類(lèi)型，設(shè)備，行業(yè)垂直和區(qū)域進(jìn)行了細(xì)分。根據(jù)類(lèi)型，市場(chǎng)分為專(zhuān)用，集成和混合市場(chǎng)。按設(shè)備細(xì)分為計(jì)算機(jī)，平板電腦，智能手機(jī)，游戲機(jī)，電視等。按應(yīng)用劃分電子，IT與電信，國(guó)防與智能，媒體與娛樂(lè)等。
由于在平板電腦，游戲機(jī)和智能手機(jī)等設(shè)備中廣泛使用GPU組件（例如集成和專(zhuān)用處理器），以支持圖形密集型應(yīng)用，因此GPU硬件在2017年占據(jù)了70％以上市場(chǎng)份額的主要部分。據(jù)估計(jì)，GPU出貨量增長(zhǎng)約5％。在硬件領(lǐng)域，由于混合處理器具有集成和專(zhuān)用GPU的功能，所以混合GPU市場(chǎng)增長(zhǎng)很快，這使其成為軟件開(kāi)發(fā)人員中優(yōu)先選擇的選項(xiàng)，以提高圖形密集型應(yīng)用程序的效率。
預(yù)計(jì)到2024年，GPU云上部署部分將占據(jù)5％以上的市場(chǎng)份額。隨著客戶(hù)迅速采用基于云的解決方案從擴(kuò)展性和靈活性中受益，云部署模型的使用將增加。包括Microsoft，Amazon Web Services和IBM在內(nèi)的主要云平臺(tái)提供商正在與圖形芯片提供商建立合作伙伴關(guān)系，以提供GPU云服務(wù)。例如，IBM提供了各種云GPU配置并支持NVIDIA Tesla K80卡，該卡可以提供8.5TFLOPS單精度算力，2.9TFLOPS雙精度算力，帶寬480GB/s。
由于在設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中廣泛使用GPU，因此汽車(chē)應(yīng)用細(xì)分市場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)速度。汽車(chē)設(shè)計(jì)部門(mén)面臨越來(lái)越大的壓力，需要迅速實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)。GPU使汽車(chē)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。
GPU競(jìng)爭(zhēng)格局的特點(diǎn)是頭部玩家的游戲，主要包括NVIDIA，AMD和Intel。這些公司在研發(fā)上投入了大量資金，不斷研發(fā)新一代GPU圖形處理器產(chǎn)品，以滿(mǎn)足計(jì)算密集型應(yīng)用程序的需求。2017年9月，英特爾推出了具有更好的超頻能力和集成顯卡的第8代Coffee Lake處理器。2017年10月，UKCloud推出了基于NVIDIA虛擬GPU解決方案的云GPU服務(wù)，以支持UKCloud在英國(guó)的公共部門(mén)和醫(yī)療保健客戶(hù)使用的高計(jì)算應(yīng)用程序。
在GPU市場(chǎng)上運(yùn)作的主要公司是AMD，Dassault Systems，Autodesk，Google，IBM，Qualcomm，Intel，Microsoft，Siemens AG，NVIDIA，Nimbix，Amazon Web Services，Penguin Computing，Cogeco Communications，PTC， ScaleMatrix和S3圖形。
在過(guò)去的幾年中，全球GPU市場(chǎng)出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。但是，由于COVID-19爆發(fā)，2020年市場(chǎng)有所下降。全球各地的多家企業(yè)停工，供應(yīng)商方面的硬件組件也短缺，這預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)GPU市場(chǎng)的增長(zhǎng)做出調(diào)整。
由于CPU無(wú)法處理現(xiàn)代2D和3D圖形應(yīng)用程序的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)，因此對(duì)高性能計(jì)算處理器的需求增加了。為了支持高性能計(jì)算應(yīng)用程序，各行業(yè)開(kāi)始將CPU和GPU圖形卡一起使用，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算。GPU已廣泛應(yīng)用于制造，汽車(chē)，游戲和房地產(chǎn)領(lǐng)域，因此已成為高性能計(jì)算的重要組成部分。為了支持深度學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，對(duì)GPU加速的計(jì)算機(jī)的需求將不斷增加。
推動(dòng)GPU市場(chǎng)增長(zhǎng)的另一個(gè)因素是越來(lái)越多的處理器用于支持汽車(chē)，制造業(yè)，房地產(chǎn)和醫(yī)療保健等各個(gè)行業(yè)的圖形應(yīng)用程序和3D應(yīng)用。例如，為了支持汽車(chē)領(lǐng)域的制造和設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，CAD和仿真軟件（CAE）利用GPU來(lái)創(chuàng)建逼真的圖像或動(dòng)畫(huà)。
在HPC應(yīng)用支持GPU計(jì)算報(bào)告中，咨詢(xún)機(jī)構(gòu)Intersect360列出了50個(gè)最常用的高性能計(jì)算(HPC)應(yīng)用程序，識(shí)別出目前采用GPU加速的應(yīng)用程序。根據(jù)對(duì)最新HPC用戶(hù)站點(diǎn)普查數(shù)據(jù)和研究發(fā)現(xiàn)，HPC用戶(hù)用到的50個(gè)最流行的應(yīng)用程序中有34個(gè)提供GPU支持，另外2個(gè)應(yīng)用目前正在開(kāi)發(fā)中。前15個(gè)應(yīng)用程序目前都通過(guò)某種形式實(shí)現(xiàn)對(duì)GPU支持。
化學(xué)領(lǐng)域：化學(xué)是最常見(jiàn)的HPC應(yīng)用領(lǐng)域之一，有組織使用HPC系統(tǒng)了解化合物和過(guò)程，根據(jù)這種理解設(shè)計(jì)新的物質(zhì)為今后的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供信息。包括計(jì)算化學(xué)，分子建模，和質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析。
流體動(dòng)力學(xué)分析：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的解決方案目前異常廣泛的被應(yīng)用，如:飛機(jī)設(shè)計(jì)，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，建筑物氣流分析，心臟泵的設(shè)計(jì)，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕?，等等。在HPC中，作為前十大應(yīng)用程序的OpenFOAM的出現(xiàn)，預(yù)示著整個(gè)行業(yè)向開(kāi)源代碼的方向發(fā)展。
如表3所示，這兩種最流行的CFD應(yīng)用，ANSYS Fluent和OpenFOAM使用GPU的支持。
結(jié)構(gòu)分析：結(jié)構(gòu)分析包括用于分析各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序，包括顯式和隱式有限元分析(FEA)，是用于工程分析的重要計(jì)算工具。它主要是用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的負(fù)載和壓力進(jìn)行分析，包括用于汽車(chē)的虛擬崩潰測(cè)試。
表4描述了前50個(gè)HPC應(yīng)用程序中的8個(gè)結(jié)構(gòu)化分析應(yīng)用。8個(gè)中有7個(gè)已經(jīng)支持GPU計(jì)算。
生物科學(xué)：生物科學(xué)應(yīng)用是用來(lái)揭示生命的本質(zhì)、并幫助設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)治療方案的學(xué)科。他們也用于了解和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。這部分包括基因組學(xué)等應(yīng)用，蛋白質(zhì)組學(xué)，藥物發(fā)現(xiàn)等等。由于基因組學(xué)的快速發(fā)展，帶動(dòng)分析基因和細(xì)胞的生物信息學(xué)軟件快速發(fā)展， 使得基因組學(xué)驅(qū)動(dòng)整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展。
如表6所示，在生命科學(xué)領(lǐng)域，GPU計(jì)算應(yīng)用已經(jīng)落后于其他領(lǐng)域，然而，BLAST應(yīng)用有個(gè)GPU版本，被稱(chēng)為GPU-BLAST，現(xiàn)在已在研究領(lǐng)域使用，還有一個(gè)GPU加速版本的Bowtie，作為NVIDIA實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目在運(yùn)作。
表7列出了剩余的前50個(gè)HPC應(yīng)用程序及其域。2個(gè)商業(yè)智能領(lǐng)域，2個(gè)天氣預(yù)報(bào)和環(huán)境建模領(lǐng)域，1個(gè)物理和1個(gè)模式識(shí)別領(lǐng)域。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的發(fā)展，人工智能（AI）以及游戲發(fā)展等因素預(yù)計(jì)將推動(dòng)圖形處理單元市場(chǎng)的增長(zhǎng)。此外，蓬勃發(fā)展的便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的日益普及，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年推動(dòng)GPU圖形處理單元市場(chǎng)的增長(zhǎng)。
GPU是促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必不可少的元素。GPU啟用了功能豐富的IoT接口，該接口是無(wú)縫的，并在所有行業(yè)中提供了無(wú)處不在的用戶(hù)體驗(yàn)。GPU在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用包括用于復(fù)合處理的3D圖形和動(dòng)態(tài)3D用戶(hù)界面。集成和混合GPU的發(fā)展可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的要求。
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