GPU巨头竞逐之战：“百家争鸣”如何演变成“三分天下”？

追溯GPU的历史，要从草莽时代的图形显示控制器说起。早在1962年，麻省理工学院的博士伊凡•苏泽兰发表的论文，以及他的画板程序就初步奠定了计算机图形学的基础。在随后近20年时间里，计算机图形学获得持续发展，但未取得实质性重大突破。由于对计算能力、精度、运行强度和硬件等要求极高，计算机并没有配备专门的图形处理芯片，均使用CPU来完成图形处理任务。当时，显卡的作用仅是实现图形显示，即将CPU计算生成的图形“翻译”成显示设备可以识别的信号，并不具备计算能力。

然而，随着图形计算技术不断演进，上世纪80年代早期出现的Commodore Amiga创造性地将一些图像产生功能加入显卡，包括线段绘画、区域填充和块图像传输等。1981年，IBM公司发布世界上第一台个人电脑IBM5150，便搭载了黑白显示适配器（MDA）和彩色图形适配器（CGA）。这就是最早的图形显示控制器。1987年，IBM又推出EGA，并提出了至今仍在兼容使用的VGA标准。这一标准在文字模式下可支持720×400分辨率，绘图模式下可支持640×480×16色等输出，奠定了图形显示的早期标准。

但受软硬件、技术障碍和成本等因素限制，图形处理依然未被普遍加入显卡中。直到90年代初，在微软Windows系统的推动下，显示芯片厂商才开始在产品中加入一定的图形运算功能，以减轻CPU的负担。其中，1991年S3 Graphics推出的“S3 86C911”，因能进行字符、基本2D图形和矩形绘制，正式开启了2D图形硬件加速时代。此后，随着2D加速迅速普及，1995年几乎所有的显卡都已具备这一功能，并开始配备较高容量和性能的显存。同时，2D图形接口GDI、DirectFB等也都相继出现，且相关标准至今仍在沿用。

不过，由于技术标准及迭代已不能满足行业发展需求，2D图形加速卡很快盛极而衰。例如索尼PS等游戏机上已率先出现3D游戏，并吸引了大量用户。由此，1994年3DLabs更进一步发布了第一颗用于PC的3D图形加速芯片Glint 300SX，支持高氏着色、深度缓冲、抗锯齿和Alpha混合等特性，开启了显卡3D加速时代。紧随其后，众多图形厂商纷纷推出3D加速显示卡，包括英伟达的NV1、S3的Virge3D、PowerVR的PCX1等。不过，这一阶段的显卡大多还没有执行统一的程序接口(API)标准，加速功能也不尽相同。

ATI 3D Rage Pro 图源：Techspot

面对这一行业发展痛点，微软推出的Direct3D和OpenGL等通用API开始被普遍采用，使接口难题得到了有效解决。与此同时，为了应对3D图形处理中的架构难题，“渲染管线”的概念开始出现，使多边形转换与光源处理等功能也开始被加入到显卡中。而这也为消费市场发展打开了空间。1995年，3DFX发布消费领域史上第一款3D图形加速卡Voodoo，英伟达和ATI也迅速跟进发布TNT系列与Rage系列显卡。这些产品已从硬件上实现Z缓存和双缓存，可以进行光栅化等操作，使CPU终于从繁重的像素填充任务中得以解脱。

不过，这些产品技术仍是算不上成熟，如顶点变换还是必须在CPU中完成，光栅化后的像素操作也有限。到了1999年，随着显卡处理能力快速提升，英伟达在推出GeForce 256芯片时，正式提出了GPU这一概念。GeForce 256整合了关键的硬件变换和光照（TL）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等功能，并且兼容DirectX和OpenGL，被称为世界上第一款GPU。在作用上，GeForce 256将显示核心与CPU并列，成为计算机内两大运算核心，大大减少了对CPU的依赖。

不难发现，GPU概念诞生之前的近20年时间，“Pre GPU”时期的技术路线从图形显示、2D加速、3D加速逐步迭代至固定管线。同时，在这一革新进程中，S3、ATI、AMD、英伟达、3DFX等众多大小玩家展开激烈竞争，一度形成“百家争鸣”局面，共同推动了图形处理芯片的快速迭代和演进，并为行业后续发展奠定了基础。比如顶点着色器和像素着色器的引入让GPU的可编程性大大提升，并在后来促成GPU的代际革命。而英伟达推出的GPU可谓多种架构路线关键技术的集大成者，因此得以在竞争厮杀中脱颖而出、扶摇直上。

02黄金时代：英伟达、ATI“双雄争霸”

千禧年之际，随着计算机行业飞速发展以及各GPU技术日趋成熟，图形计算首次进入“黄金时代”，同时各路玩家的激烈竞争也促使市场格局数次重塑。其中，通过推出消费级Voodoo 3D加速卡，3DFX曾引领GPU市场。而由于蔑视主流标准，英伟达采用自创四边形成像（QTM）技术打造的NV1和NV2都未成功。但英伟达再接再厉，又陆续推出RIVA、TNT系列和GeForce 256等产品，最终击败3DFX占据市场主流地位，并于2000年将其知识产权买断。巨头较量、小兵遭殃，一些中小厂商无力应对行业竞争，选择淡出显卡市场。

经过这一轮行业大洗牌后，英伟达开始在GPU赛道崭露锋芒，而剩下的主要对手是ATI。为了抗衡英伟达，2000年ATI推出Radeon品牌，从而全新开启独立GPU领域的两强争霸。第二年，微软发布了包含全新Shader Model（优化渲染引擎模式）1.0标准的DirectX 8.0。由于遵循这一接口标准的GPU具备顶点和像素的可编程性，微软开始引领图形硬件标准，而TL硬件则逐步被抛弃。为了抢占先机，英伟达迅速发布第一款支持DX8.0的GeForce 3。但ATI毫不示弱，随后立即推出了第一款支持DX8.1的Radeon 8500“分庭抗礼”。

可以说，在微软DX接口标准的助攻下，当时英伟达、ATI的竞争极具开创意义。因为这一时期确立的GPU编程思路一直延续至今，不但深入到工程领域改善了人们的日常生活，而且开创了诸多计算机科学的新领域，如光照模拟、人体动画和通用计算等。不过，这一代GPU还没有实现支持像素级的编程能力，也就是片段编程能力，但市场力量的博弈很快又继续推动了相关技术演进。2002年，微软为了对抗索尼PS2降价销售Xbox，导致其芯片合作供应商英伟达对价格不满。随后，微软改选ATI作为下一代主机的GPU供应商。

为了反击ATI和微软，英伟达迅速推出了具有突破性和覆盖高中低端的GeForce 4系列产品，其中GeForce4 MX440在很长一段时间内都是低端显卡的性能标杆。但英伟达没料到的是，ATI不久后就祭出了“杀手锏”R300 GPU，具备领先英伟达同类产品接近一倍的性能。自此，ATI和猝不及防的英伟达开始平起平坐。而鉴于ATI带来的竞争压力，英伟达又快速开发出了其下一代产品：GeForce FX 5800Ultra。但由于太过仓促，不成熟的0.13微米工艺以及过高的功耗、发热和噪声等问题，导致这款GPU一度成为英伟达最失败的产品。

即便如此，在英伟达和ATI的激烈竞逐下，GPU的可编程性已经达到较高水平，进而促使行业革命的时机逐渐成熟。在SIGGRAPH 2003大会上，许多业界泰斗开始共同探讨利用GPU进行各种通用运算的设想和实验模型，从而为GPGPU的迅速落地发展奠定了基础。在随后3年时间里，用统一的通用流处理器取代GPU中原有的不同着色单元设计，大大释放了GPU计算能力，乃至成为现代的异构计算核心。其中，英伟达的GeForce FX系列和ATI Radeon 9700是通用GPU的先驱，并且都具有顶点编程和片段编程能力。

与此同时，2004年英伟达汲取以往教训推出全新的GeFroce 6800Ultra，并凭借优异的产品性能再次夺回GPU老大的地位。但值得注意，其中的重要原因还在于ATI同期推出的X800性能一流，却不支持最新的DX。这无异于“缺胳膊少腿”。此外，双方的较量还延伸至GPU架构上。2005年，ATI推出采用“统一渲染”架构的Xenos，并应用在与微软合作的游戏主机Xbox 360上。但英伟达随后发布的GeForce 8800 GTX才在行业产生真正影响力：不仅是第一款采用“统一渲染”架构的桌面GPU，更影响日后数代产品成为划时代的产品。

到了2006年，英伟达还把GeFroce7800GTX的核心频率提高25%，实现20%以上的性能提升。紧接着，ATI使用GDDR4显存推出DX9时代最强的单芯GPU—RadeonX1950XTX。然而，这也成为ATI GPU的最后辉煌。当年，为了整合CPU和GPU业务实现“双轴联动”，AMD斥资达54亿美元收购ATI。但完成收购后，AMD的重心很快转向中低端市场，致使产品性能逐渐落后英伟达。于是，英伟达牢牢掌控了GPU高端市场，而AMD的产品则一度成为性价比的代名词。经过数年激烈竞逐、你争我夺，GPU双雄就此“划江而治”。

03摩登时代：“双英”携AMD“三分天下”

近十五年来，随着半导体巨头在GPU领域投入的研发和资本等要素大大增加，行业开始出现“马太效应”，并建立起较高技术壁垒。自2006年起，英伟达的GPU架构基本每两年大更新一次，带来了更多优异的运算单元和API适配性，并逐步掌握更多高端显卡技术。此外，同年英伟达还推出了CUDA编程软件，使得GPU打破图形语言局限成为真正的并行数据处理超级加速器。而2011年Tesla GPU计算卡的发布，标志着英伟达将用于计算的GPU产品线正式独立出来，在通用计算及超级计算机领域逐渐取代CPU成为主角。

不过，英伟达的软硬件技术开发之路并不是一帆风顺。比如2010年，英伟达发布了全新的GPU架构Fermi及相关产品，但却再次出现功耗过高、发热量大等致命性问题。其中，以Fermi架构为核的GeForceGTX 480就因为巨大的功耗和发热量“闻名于世”，据说曾发生过有人用GTX 480来煮鸡蛋的事情。然而，技术研发和探索也常常“福祸相依”，英伟达在战略赛道和技术路线选择上也曾有光辉时刻。自2016年以来，其相继推出了内置150亿个晶体管的Tesla P100，以及加入Tensor单元的Tesla V100，从而助力人工智能时代加速到来。

此后，英伟达继续快马加鞭，针对不同领域推出了多款GPU核心架构，包括Pascal、Volta等。其中，2018年英伟达发布全新图灵（Turing）架构，以及支持光线追踪技术（RTX）的游戏和专业级显卡。这一架构被公司CEO黄仁勋称为近20年GPU的最大革新，关键特点就是加入了光线追踪技术。2020年，针对人工智能、高性能计算和大数据等领域，英伟达顺势而为，再次推出性能优异的安培（Ampere）架构。如今，经过多年耕耘积累，英伟达已针对各领域打造了几大核心产品线，包括GeForce、Quadro、Tesla和Tegra等。

英伟达GeForce GTX 1060 (左) 和AMD Radeon RX 580 (右)

作为英伟达的主要竞争对手，AMD曾在吃下ATI时背负巨额债款，因而身陷囹圄。而由于在CPU和GPU两条线上分别面临不同强敌竞争，AMD便遭遇了遭遇巨大的困境和挑战。鉴于此，英伟达甚至一度减慢了产品升级速度，比如2008年发布的9800GTX相较上一代产品并没有实质性性能提升。趁此机会，AMD当年推出了高性能RV770，成为其极富竞争力的GPU产品，而主打性价比的HD4850迫使英伟达GeForce 9800GTX一夜之间降价千元。但不久后，在英伟达覆盖高中低端的多维打压、持续冲击下， AMD又再次跌落低谷。

后来多年，AMD在与英伟达的竞争中持续处于下风。直到2019年前后，凭借RDNA架构显卡的成功试水和先进工艺等方面实现重大突破，AMD才实现业绩连续飘红、市值大涨。第二年，AMD趁热打铁，除了发布Ryzen 5000系列CPU，还推出再次震惊业界的Radeon 6000系列GPU，在性能一定程度追平了与英伟达多年的差距，再次成为行业翘楚。自此，作为“全球唯一能同时提供高性能GPU、CPU以及独立GPU和集成GPU的半导体企业”，AMD逐步实现了引领行业的一些技术迭代，进而使得早期的“双轴联动”梦如愿以偿。

另外，作为多年来全球最大半导体厂商，英特尔也一直对独立GPU跃跃欲试、百折不挠。其实，英特尔入局GPU最早可以追溯到1998年的i740，但由于羸弱的性能和缓慢的更新速度，一直没有非常大的起色。进入酷睿i时代后，英特尔通过将核芯显卡和CPU进行捆绑销售，利用CPU的庞大市场份额，确立了在集成GPU领域的垄断地位。与此同时，尽管由于战略投入举棋不定等因素数次失败，英特尔也一直没有放弃开发独立GPU。比如，2020年英特尔就在其架构日中再次推出Xe GPU架构，以向高性能独立显卡领域扩张。

当前，在各大行业巨头激烈竞逐下，全球GPU已进入技术演进的“摩登时代”和寡头垄断的市场格局。在传统GPU市场中，英伟达、AMD、英特尔的营收几乎可以代表整个行业的收入。其中，独立显卡领域主要由英伟达和AMD控制，而集成显卡领域由英特尔和AMD掌控。就整个市场而言，根据调研机构JPR的数据，2021年英特尔在核心GPU的市场份额为68%，英伟达和AMD为15%上下。但值得注意的是，在强力政策和市场的推动下，中国GPU企业正蓬勃发展，同时在软硬件方面出击，未来或在全球市场占据一席之地。

结语

总体而言，近三四十年来，全球GPU技术路线已从早期的图形显示、2D加速、3D加速逐步迭代至固定管线、统一渲染、通用计算，同时市场格局也依次从百家争鸣演变至双雄争霸和三分天下。如今，随着大数据和人工智能时代来临，人类需要处理的数据、图形和信息量等呈几何级增长，但半导体工艺微缩已趋于物理极限，性能精进面临瓶颈。为了应对行业这些新局面和海量需求，GPU正在越来越多的高新科技领域发挥重大作用。至于未来，GPU的角色还将如何扮演，以及相关技术和市场格局又将如何演变，且拭目以待。