文｜極客電影

英偉達(dá)再次站到了時(shí)代浪潮之上：

被ChatGPT選中的英偉達(dá)成功擺脫“礦圈”影響，并且極有可能在未來(lái)成為AI領(lǐng)域的核“芯"。

過(guò)去三十年間，英偉達(dá)制造的芯片幾乎主導(dǎo)了整個(gè)游戲和計(jì)算機(jī)圖像產(chǎn)業(yè)，而人工智能業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)為它帶來(lái)了新的盈利方向。

英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛在十年前的深謀遠(yuǎn)慮，讓公司得以乘著時(shí)代風(fēng)口“起飛”。

大約在十年前我們就發(fā)現(xiàn)，AI這種制作方式可以改變一切。

我們調(diào)整了公司方方面面的發(fā)展規(guī)劃，我們生產(chǎn)的每一個(gè)芯片都具備人工智能技術(shù)。

縱觀英偉達(dá)的崛起，靠的絕不是運(yùn)氣。

圖形處理“霸主”成長(zhǎng)史

英偉達(dá)的英文名稱 NVIDIA 前兩個(gè)字母 NV=Next Version（下一個(gè)版本）；

NVIDIA是拉丁語(yǔ)“嫉妒”的意思，他們希望自己產(chǎn)品的計(jì)算速度可以快到讓所有人都嫉妒，所以選擇了代表羨慕嫉妒恨的綠眼睛作為公司標(biāo)志。

英偉達(dá)的LOGO——綠眼睛

英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛，1963年出生，9歲時(shí)移民美國(guó)，后進(jìn)入在俄勒岡州立大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程，并在斯坦福獲得碩士學(xué)位。

上世紀(jì)八九十年代，畢業(yè)后的黃仁勛曾在AMD和LSI Logic工作。在LSI Logic設(shè)計(jì)部門工作了兩年之后，黃仁勛轉(zhuǎn)崗到了銷售部門——這是他自認(rèn)為“人生最佳”的職業(yè)轉(zhuǎn)型，銷售經(jīng)驗(yàn)讓他學(xué)會(huì)了“產(chǎn)品和市場(chǎng)結(jié)合才是成功關(guān)鍵”。

之后，黃仁勛結(jié)識(shí)了Chris Malachowsky和Curtis Priem兩位曾經(jīng)在SUN工作過(guò)的技術(shù)人員，三個(gè)工程師常聚在圣何塞Berryessa立交橋旁的小破店Denny's里喝咖啡，討論如何加快電子游戲中3D圖像的渲染速度。

1993年，三人共同在加州一個(gè)小公寓里創(chuàng)立了英偉達(dá)公司。

英偉達(dá)的三個(gè)創(chuàng)始人

1999 年，幾經(jīng)市場(chǎng)失敗瀕臨破產(chǎn)邊緣的英偉達(dá)，在裁掉大部分員工后，推出了號(hào)稱是世界上第一款官方GPU——GeForce 256。

這是第一款允許自定義陰影和照明效果的可編程顯卡。到 2000 年，英偉達(dá)已成為微軟第一款Xbox的獨(dú)家圖形引擎供應(yīng)商。

“微軟推出XBOX的時(shí)機(jī)，恰好是我們投入研究可編程著色器（Programmable shader）的時(shí)候，它定義了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的底層邏輯?！眲?chuàng)始人黃仁勛說(shuō)。

天時(shí)地利人和，英偉達(dá)的GPU順勢(shì)成為最主流的圖形處理芯片。

30年前，硅谷研發(fā)圖形處理芯片的公司群雄逐鹿，如今幾乎只剩英偉達(dá)和AMD還活著，首席執(zhí)行官仍是創(chuàng)始人的公司更是少見(jiàn)。

這就必須提到黃仁勛在2006 年下的大賭注——他們發(fā)布了一個(gè)名為CUDA（Compute Unified Device Architecture）的軟件工具包。

當(dāng)年CUDA剛問(wèn)世的時(shí)候，華爾街對(duì)其市值估值為0美元?！爸钡?016年，即CUDA問(wèn)世 10 年后，人們才突然意識(shí)到，這是一種截然不同的計(jì)算機(jī)程序編寫方式，”英偉達(dá)深度學(xué)習(xí)研究副總裁Bryan Catanzaro說(shuō)。

正是他們搭建的CUDA開(kāi)發(fā)者平臺(tái)以其易用性和通用性，讓GPU可以用于通用超級(jí)計(jì)算，最終推動(dòng)英偉達(dá)迅速擴(kuò)張為圖形處理領(lǐng)域的霸主。

從游戲到“挖礦”，再到ChatGPT

英偉達(dá)的GPU一度成為了加密貨幣領(lǐng)域中的硬通貨，游戲顯卡價(jià)格被炒高，英偉達(dá)的股票也曾一度高達(dá)319美元。

盡管英偉達(dá)為“挖礦”專門設(shè)計(jì)了一款GPU（NVIDIA CMP hx series），但仍然擋不住“淘金者們”購(gòu)買游戲顯卡。

顯卡短缺大概到2022年初結(jié)束，同年英偉達(dá)發(fā)布的40系列GPU (GeForce RTX 4080），定價(jià)$1199，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30系列$699的價(jià)格，這讓游戲玩家大為震撼。

顯卡供需恢復(fù)正常以后，英偉達(dá)在游戲行業(yè)的營(yíng)收下降了46%，股價(jià)隨之大跌，芯片巨頭急需業(yè)務(wù)調(diào)整。

“突然一個(gè)聽(tīng)起來(lái)不可能的軟件發(fā)現(xiàn)了你”——OpenAI購(gòu)買了10000個(gè)GPU用于AI計(jì)算，此后，英偉達(dá)開(kāi)始正式成為人工智能背后的中堅(jiān)力量。

被 AI 選中的英偉達(dá)

01│AI為什么選擇GPU？

英偉達(dá)在1996年發(fā)布GeForce256時(shí)，就率先提出GPU（圖形處理器）概念，從此英偉達(dá)顯卡芯片就等同了GPU。

GPU包含成百上千的核心，每個(gè)核心處理一個(gè)像素點(diǎn)，這樣就可以在同一時(shí)間內(nèi)完成對(duì)圖片中所有像素點(diǎn)的處理。

GPU這種基于大量計(jì)算核心的結(jié)構(gòu)，讓它特別擅長(zhǎng)做那些計(jì)算密集且可以大量并行執(zhí)行的運(yùn)算，深度學(xué)習(xí)和AI應(yīng)用就符合這個(gè)特點(diǎn)，而且AI應(yīng)用里最常見(jiàn)的卷積運(yùn)算本質(zhì)是加減乘除這類簡(jiǎn)單運(yùn)算。

這也是GPU與中央處理器CPU最大的區(qū)別：

CPU適用于需要按時(shí)序進(jìn)行的復(fù)雜運(yùn)算，就像一個(gè)淵博的數(shù)學(xué)教授，什么問(wèn)題都會(huì)，但是雇他的成本很高；

而GPU就像一千個(gè)小學(xué)生，可同時(shí)進(jìn)行大量簡(jiǎn)單運(yùn)算，又便宜又快。

02│GPU 如何推動(dòng)AI人工智能的發(fā)展？

GPU算力提升是AI得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而AI領(lǐng)域的算法進(jìn)步也讓GPU算力提升成為可能。

2009年，斯坦福人工智能研究員推出了ImageNet，這是一個(gè)標(biāo)記圖像的集合，用于訓(xùn)練計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法；

2012年，被稱作“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之父”和“深度學(xué)習(xí)鼻祖”的多倫多大學(xué)教授杰弗里辛頓和他的博士生Alex發(fā)表了AlexNet，把在GPU上訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與ImageNet數(shù)據(jù)結(jié)合，創(chuàng)造出世界上最好的視覺(jué)分類器，一舉獲得ImageNet LSVRC-2010競(jìng)賽的冠軍，錯(cuò)誤率只有15.3%， 遠(yuǎn)超第二名的26.2%。

 AlexNet原理

同年，英偉達(dá)發(fā)布了名叫開(kāi)普勒（Kepler）的GPU架構(gòu)，從2012年的“開(kāi)普勒”芯片到2020年的安培（Ampere）架構(gòu)，GPU的芯片性能在8年里提升了317倍。

英偉達(dá)能取得這樣成就，主要有兩個(gè)方面的原因：

首先是半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，這部分功勞當(dāng)歸功于臺(tái)積電和三星這樣的芯片制造商。在芯片架構(gòu)不變的情況下，單靠工藝的升級(jí)，性能也會(huì)有好幾倍的提升。

另外一個(gè)非常重要的原因，就是在英偉達(dá)自己在芯片架構(gòu)上的優(yōu)化：

首先是張量核心（Tensor Cores）的引入。

Tensor Cores是一種專為深度學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的計(jì)算核心，它執(zhí)行的是一種特別的矩陣式數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，非常適用于深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練

2017年12月英偉達(dá)發(fā)布了首次采用具有Tensor Cores的GPU，專門用于AI領(lǐng)域、特別是計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)。這就是為什么幾乎所有深度學(xué)習(xí)超級(jí)計(jì)算機(jī)都選擇了英偉達(dá)的GPU。

英偉達(dá)Tensor Cores GPU

其次是，支持更低精度的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

這是因?yàn)檠芯緼I算法的人發(fā)現(xiàn)，精度下降造成的準(zhǔn)確度下降可忽略不計(jì)，因此選擇更低的精度能大幅提升算力。

同時(shí)，Tensor Cores使人工智能程序員能夠使用混合精度來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量而不犧牲精度，即針對(duì)不同的任務(wù)執(zhí)行不同的精度需求，節(jié)約了大量算力。

同樣能帶來(lái)算力提升的，是結(jié)構(gòu)化剪枝（壓縮）技術(shù)。

剪枝技術(shù)是本科畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)任麻省理工副教授的韓松提出的一種AI模型的壓縮技術(shù)。他發(fā)現(xiàn)在AI模型中，神經(jīng)元之間的聯(lián)系有著不同的緊密程度，剪掉一些不那么重要的連接，基本不會(huì)影響模型的精度。

剪枝壓縮技術(shù)

而近年來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型里新秀Transformer模型，給算法技術(shù)層面帶來(lái)了大幅進(jìn)步。

Transformer模型

在NLP領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展都和Transformer息息相關(guān), OpenAI采用的GPT-3模型，就是受到了Transformer模型的啟發(fā)，參數(shù)的數(shù)量達(dá)到了1750億個(gè)。

然而Transformer模型需要更大的運(yùn)算量，也就意味著硬件水平得配套。于是英偉達(dá)開(kāi)發(fā)了專用于Transformer模型的計(jì)算引擎，以適應(yīng)AI的算力需求。

由此可見(jiàn)，AI算法領(lǐng)域的科研成果和GPU的性能是彼此促進(jìn)、互相提攜的。

巨頭入場(chǎng)，圖形芯片越來(lái)越卷

計(jì)算能力就是AI時(shí)代的貨幣。

云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)大廠紛紛下場(chǎng)做自己的芯片，就是提供更強(qiáng)大的算力，降本增效，來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

比如蘋果的M1芯片，就是為了讓它的產(chǎn)品在視頻剪輯等細(xì)分場(chǎng)景的應(yīng)用上有更強(qiáng)表現(xiàn)，而舍棄了通用性。

而英偉達(dá)、英特爾設(shè)計(jì)的芯片更具通用性——芯片設(shè)計(jì)廠商在通用性和專用性上的取舍，其實(shí)體現(xiàn)了他們?cè)谏虡I(yè)價(jià)值上的自我預(yù)期。

2013年，谷歌開(kāi)始研發(fā)用于AI場(chǎng)景的TPU芯片，目的是為了解決公司內(nèi)部日益龐大運(yùn)算需求與成本問(wèn)題。這些芯片幾乎只能用于解決矩陣運(yùn)算，也算是舍棄通用性，追逐專用性的極端了。

甚至連亞馬遜都在2013年推出了Nitro1芯片，同樣是服務(wù)其自身電商業(yè)務(wù)。