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从Tesla到Blackwell,英伟达如何改写HPC规则芯片解密

英伟达创始人CEO黄仁勋将迎来重振该公司股价的重要契机。在英伟达年度技术峰会GTC上,黄仁勋将阐述他如何带领英伟达探索AI下一个前沿的方向。

据摩根大通此前预计,芯片解密英伟达将在大会上推出Blackwell Ultra芯片(GB300),并可能披露Rubin平台的部分细节。此次大会还将聚焦AI硬件的全面升级,包括更高性能的GPU、HBM内存、更强的散热和电源管理,以及CPO(共封装光学)技术路线图。

在黄仁勋的演讲到来前,我们来看看这些年中英伟达推出的系列架构,和他们背后的故事。

1999年底,英伟达推出了第一款GPU(Graphic Process Unit,图形处理单元)Geforce 256,将完整的渲染管线集成进硬件,提供了不错的加速效果。但这款产品还很难称之为处理器,因为它尚不具备任何可编程能力。2001年随着DX8引入可编程顶点着色器的概念,英伟达才在Geforce 3中添加了Vertex Processor,使GPU可以编程了。随后,越来越多的可编程着色器被DX和OpenGL引入,以满足渲染开发者的算法需求。

在GPU设计之初,并非针对深度学习,而是图形加速,在英伟达推出CUDA架构之前,GPU并无太强对深度学习运算能力的支持。真正用来作为人工智能算力支持的GPU,不是普通的显卡,而是GPGPU(General-Purpose Computing on Graphics Processing Units)即通用计算图形处理器,这是一种用于处理非特定需求(通用类型)计算目的的算力单元(芯片)。


随着GPU具备了可编程能力,芯片解密其用于并行计算的天赋被发掘出来。当时,很多大学和研究机构都在尝试用GPU做一些科学计算。

2003年的SIGGRAPH大会上,许多业界泰斗级人物发表了关于利用GPU进行各种运算的设想和实验模型。SIGGRAPH会议还特地安排了时间进行GPGPU的研讨交流。但当时的开发者只能利用着色器编程语言开发程序,必须将计算资源映射为渲染概念才能使用,非常麻烦。因此亟需一种针对GPU并行计算的编程语言。此时,正在斯坦福读博的Ian Bark看到这一需求,投身到Brook(一套用于并行计算的编程语言,后被AMD收购)的研发中,成为GPU并行计算软件栈的先行者。2004年,他以实习生的身份加入英伟达,并于两年后开发出CUDA。

渲染需求变得越来越多样化,并行计算业务正含苞待放,Tesla G80架构正是在这样的历史背景下被设计出来,成为英伟达改变自身命运的重要转折点。

2006年,英伟达推出了Tesla架构的第一代(G80),开启了GPU通用计算探索。Tesla架构之前的显卡也经历了几代的发展,但基本上是图形显卡。而它采用全新的CUDA架构,支持使用C语言进行GPU编程,可以用于通用数据并行计算。这成为英伟达改变自身命运的重要转折点。Tesla G80是第一款实现CUDA架构的GPGPU,开启了一个并行加速的时代。G80是有史以来最伟大的GPU变革产物之一,首批产品GeForce 8800 GTX/GTS于2006年11月发布。之后,英伟达又在第一代基础上推出了Tesla架构的第二代(GT200),其双精度的FMA运算速度30FMA ops/ clock,提升了8倍多。

就在G80-G200这两代产品上,英伟达花了大约三年时间积累了大量的用户体验反馈,招募了Bill Dally作为首席科学家,最终推出了Fermi这个划时代的产品,这是第一款带有L1 Cache、ECC纠错,面向超级计算机的架构,从这一代开始,英伟达涉足超级计算机的野心开始暴露无遗,在发布的时候拉来了多位超级计算机行业的重要人物站台。

2010年,英伟达公司正式推出了Fermi全新架构。芯片解密这款架构不仅仅是一个简单的硬件更新,而是被英伟达定义为首款专门为计算任务而设计的GPU。换句话说,英伟达通过Fermi架构重新定义了GPU的概念,旨在加速并行计算的性能。与此同时,这款架构还具备了强大的图形渲染能力,使其在图形处理方面同样表现出色。而GF100是第一款基于Fermi架构的GPU,集成32亿个晶体管,专为下一代游戏与通用计算应用程序而优化的全新架构,实现了所有DirectX 11硬件功能,包括曲面细分和计算着色器等。

G80是对统一图形与计算处理器应有面貌的最初愿景。随后的GT200扩展了G80的性能与功能。而GF100,这是一个专为下一代游戏与通用计算应用程序而优化的全新架构的GPU。Fermi这一代架构展现了英伟达全力押注通用并行计算的决心。倘若说Tesla G80仅仅是小试身手,那么Fermi则正式吹响了全面进军计算产业的号角。



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