国内外主流GPU卡性能分析2024

大模型兴起助推算力需求激增

随着深度学习和人工智能的迅猛发展，Transformer、GPT-3 等大模型在自然语言处理、图像识别等领域取得了突破性进展。这些大模型拥有庞大的参数规模和数据需求，对计算能力提出了极高的要求。

大模型训练需要大量浮点运算，推动了高性能并行计算设备的需求。训练万亿级参数模型，如GPT-3，需要使用数千个 GPU 进行长时间并行计算。

大模型的推理阶段高度依赖算力，在实时应用中，平衡响应速度和复杂计算之间的矛盾成为算力基础设施建设的关键挑战。

大模型推动了云计算和边缘计算的快速发展，满足其分布式训练和部署需求。它催生了对高效能、高并发计算能力的巨大需求，从而促进芯片制造、数据中心建设和新型计算架构的创新。

AIGC下的算力规模预测

AIGC对GPU/TPU等高性能计算需求激增：
AIGC涉及大量多媒体数据处理和创作，要求更高的内容精度和分辨率，从而显著推高对GPU/TPU等高性能计算资源的需求。

算力需求暴增的 AIGC 时代，算力基础设施的建设与优化成为支撑其繁荣发展的关键。尽管模型压缩、分布式训练等技术可缓解算力压力，但总体算力仍将呈指数级增长。未来几年，全球算力基础设施将迎来前所未有的建设和优化需求。

AI芯片架构分析

AI芯片架构专为高效执行机器学习任务而设计，尤其是深层神经网络（DNN）的高并行性计算需求。主流架构类型包括：
- GPU：通用图形处理器
- FPGA：现场可编程门阵列
- ASIC：专用集成电路

GPU因其高度并行计算能力而被广泛应用于训练大型深度学习模型；

FPGA通过灵活编程适应多样化的AI算法，且能效比高，在特定场景下有优势；

专为深度学习设计的 ASIC（如 Google TPU）凭借其定制架构，可显著提升性能和能效，专攻大规模推理。类脑芯片则从神经科学中汲取灵感，再现人脑神经元，探索非冯·诺依曼架构，以低功耗实现智能计算。

AI芯片架构进化为满足智能计算需求而生，朝着高算力、低功耗、可编程定制化演变，为行业带来更强大、更节能的智能计算解决方案。

国内外主流GPU产品对比分析

GPU市场竞争格局激烈，英伟达、AMD、英特尔等国际巨头占据主导地位。中国国产GPU厂商正发力，打破市场垄断，提升技术实力，加速市场份额增长。

国际主流GPU厂商：

1. 英伟达领引 AI 训练和高性能计算领域，提供全面的 GPU 产品线：
   * 游戏级 GPU 至高性能 H100 GPU
   * 强大的 FP32 和双精度浮点性能
   * 卓越的 AI 运算能力
   * 凭借 CUDA 编程环境，赋能开发者充分利用 GPU 计算
2. AMD 在游戏领域与英伟达竞争激烈，推出 Radeon 系列 GPU。在数据中心，AMD 的 Instinct 系列加速卡提供卓越的计算能力和能耗效率，满足 AI 训练和推理任务需求。
3. 英特尔积极拓展GPU市场，推出基于Xe架构的高性能独立GPU。该公司瞄准数据中心和专业图形领域，寻求在这两大市场建立竞争地位。

国产GPU厂商：

1. 海光信息以自主研发的CPU和DCU产品领跑国内高性能计算和安全芯片市场，巧妙融合通用计算与领域加速，在安全性方面尤为突出。其产品精准满足国内对高性能计算和安全可靠芯片的迫切需求。
2. 景嘉微专精于高性能集成电路设计，领先于国内相关领域。专注特殊用途图形处理的同时，持续拓展通用型GPU技术。
3. 芯动科技的“风华”系列 GPU 为国产图形处理器树立新标杆，其卓越的像素填充率和 AI 运算性能媲美国际水平。
4. 引领高性能计算：壁仞科技致力于打造通用计算体系，通过创新GPU和加速器技术，为软硬件平台赋能，加速行业数字化转型。
5. 登临科技的 GPU 兼容主流 CPU 和服务器，打造 AI 生态系统。降低用户迁移成本，赋能大模型训练与推理等尖端应用。

中国GPU厂商在技术上取得进展，但仍需提升性能、市场占有率和生态系统。在政策支持和市场需求带动下，国产GPU产业有望突破技术瓶颈，增强自主创新，特定领域竞争力将提升。

国内外ASIC产品对比分析

ASIC，定制集成电路，专为特定用途设计，超越通用芯片在效率、功耗、体积和成本方面的表现。
国内外 ASIC 比较：
* ASIC 在执行特定任务方面的效率、功耗、尺寸和成本优势显著。
* 优化设计，满足特定应用的独特需求。
* 广泛应用于人工智能、物联网和汽车电子等领域。

国际主流ASIC厂商及产品特点：

1. 英特尔提供定制 ASIC 解决方案，满足特定客户对高性能和低延迟的需求。其 ASIC 产品广泛应用于数据中心、网络基础设施和云服务，以及 5G 通信和区块链加密货币挖掘等领域。
2. 博通：ASIC领域的先锋，为无线、网络和数据中心提供定制ASIC解决方案。其卓越的信号处理、电源效率和封装技术，打造高性能、低功耗的芯片。
3. 高通凭借定制化 ASIC 解决方案赋能移动通信和物联网。应用于手机基带、射频前端、Wi-Fi 和蓝牙芯片，高通的 ASIC 大幅提升了终端设备性能和能效。
4. 谷歌自主研发的张量处理单元 (TPU)，一种专为机器学习优化的芯片，已显著提升了谷歌内部 TensorFlow 框架的效率。TPU 加速了深度学习训练和推理，大幅缩短了计算时间。

国内ASIC厂商及产品特点：

1. 华为海思，半导体巨头，研发了一系列尖端ASIC产品：
   - 昇腾系列AI芯片：专为人工智能计算设计
   - 麒麟系列SoC：为智能手机和平板电脑量身定制的处理器
2. 平头哥打造的玄铁系列CPU和含光系列AI芯片是ASIC产品，广泛应用于阿里集团及其合作伙伴的云计算、大数据处理和物联网领域。
3. 寒武纪：AI 芯片领域的领头羊，提供针对神经网络计算优化的 ASIC 解决方案。其 ASIC 架构可高效运行各种 AI 算法，在深度学习领域享有盛誉。
4. 比特大陆，ASIC矿机芯片设计的先驱，以其高性能、低能耗的专业ASIC芯片而闻名。这些芯片赋能比特币挖矿业，使其高效且可持续。

全球 ASIC 市场格局呈现两极分化，国际巨头占据技术和市场优势，而国内厂商崛起势头迅猛，在 AI、5G 和区块链领域取得突破。尽管如此，国产 ASIC 仍面临产业链完善度、生态系统建设和工艺制程等方面的挑战，持续创新和市场拓展将成为未来发展的关键驱动力。

国内主流算力系统分析

国内算力系统关键组成：
* CPU：英特尔、AMD
* GPU：英伟达、AMD
* ASIC：比特大陆、神马矿机
* 其他加速器：FPGA（赛灵思）、TPU（谷歌）
这些组件为计算密集型任务，如人工智能、大数据分析和科学计算，提供强劲的基础设施支柱。

1. CPU算力系统：
   • 海光信息引领国产CPU制造，性能媲美国际高端处理器。系列产品覆盖从数据中心到高性能计算的广泛需求，提供强大算力支持。
2. GPU算力系统：
   • 在高性能计算和人工智能领域，英伟达和 AMD 占据了中国市场的领先地位，用于科研、数据中心和 AI 应用。国内公司景嘉微和壁仞科技等积极布局 GPU，致力于满足国内对国产高性能计算和 AI 计算的需求。
3. AI加速芯片：
   • 国产AI芯片崛起：华为海思、阿里平头哥等巨头研发ASIC芯片，如华为昇腾系列和阿里含光系列。这些芯片专为AI应用优化，提供高效算力，在特定场景下显著提升性能。
4. 数据中心与服务器集群：
   • 华为、中科曙光、浪潮、联想等国内科技巨头凭借先进的服务器技术，在数据中心建设、算力整合方面扮演着关键角色。他们的服务器产品集合了尖端计算单元，通过云计算、边缘计算等方式提供全面的算力服务。
5. 算力网络与云服务：
   • 云巨头构建庞大数据中心网络，提供弹性云端算力资源，赋能企业：
     - 弹性可扩展，快速部署大规模计算应用
     - 支持各类企业和机构的计算需求

国内算力系统持续优化，提升计算性能并加强资源调度、节能、生态建设，满足数字经济、人工智能等领域对强大算力的需求。
政府主导的“东数西算”工程推动跨区域算力优化配置，均衡国内算力基础设施，满足算力需求的持续增长。

英伟达数据中心营收分析

英伟达数据中心业务强势增长
2023 财年第四季度，英伟达数据中心业务收入飙升至 184.04 亿美元，远超分析师预期，同比增长超 400%。这表明市场对英伟达的高性能计算解决方案需求激增，尤其是在人工智能、机器学习和大数据分析等计算密集型应用领域，以及生成式 AI 等先进技术的兴起。
全年来看，数据中心业务在英伟达营收中所占比例不断攀升。这凸显了数据中心和云计算市场对英伟达 GPU 产品和技术解决方案的依赖性。
英伟达在数据中心业务上的创新和领导地位，推动了其在面对挑战时的持续增长。这不仅提升了公司的盈利能力，也使其在市场中保持了领先地位。
总之，英伟达数据中心业务的飞跃反映了其在高性能计算和 AI 基础设施领域的卓越地位，以及对行业趋势的精准把握。

英伟达GPU主要产品线

英伟达（NVIDIA）的GPU产品线主要包括以下几个系列：

1. GeForce系列：

NVIDIA GeForce GTX 系列显卡提供卓越的游戏性能。其中，GTX 1060、GTX 1070 和 GTX 1080 等型号表现出色，已迭代升级为 RTX 系列。这些显卡可提升游戏帧率，增强视觉效果，提供流畅且令人惊叹的游戏体验。

GeForce RTX 系列图形卡，引领光线追踪技术，提升游戏体验。从 RTX 2060 到 RTX 3090，不断革新，持续为游戏玩家带来身临其境的视觉盛宴。

2. Quadro系列：

为专业图形工作站用户提供定制解决方案，赋能CAD、3D建模、渲染和动画制作等领域。凭借高稳定性和精确度，助力用户实现卓越成果。

3. Tesla 系列：

专为数据中心和HPC打造，支持大规模并行计算，广泛应用于科学计算、深度学习和数据分析等领域。Tesla P4、P40、T4等产品采用Pascal、Kepler、Maxwell等领先架构，满足不同性能需求。

4. Data Processing Unit (DPU)：

NVIDIA DPU 提升数据中心效率和安全性
NVIDIA DPU专为数据中心设计，用于优化网络、存储和安全任务，提升数据中心效率高达25%，整体性能可提升6倍。

5. Grace CPU 和 Grace-Hopper 超级芯片：

英伟达 NVIDIA GPU架构演进分析

英伟达 NVIDIA 数据中心产品路线图

NVIDIA GPU卡规格参数性能分析

美国对于高端GPU卡出口限制令分析

1. 2022年10月美国限制出口英伟达和AMD的高性能人工智能芯片

设定了传输带宽和总体处理性能两个指标 ，总体处理性能=位宽*算力

2. 2023年10月美国高性能芯片禁令升级,旨在限速中国人工智能发展

取消了传输带宽限制，新增了性能密度指标

性能密度=总体处理性能/裸片面积

20221007禁令之后中国特供版

20231017禁令之后中国特供版

卡间通信:NVLink 与 InfiniBand

NVLink 和 InfiniBand 是高性能计算集群的关键技术，针对不同级别的高速数据传输需求而设计。NVLink 专注于 GPU 间高速互连，而 InfiniBand 提供集群间更广泛的连接。

NVLink:

NVLink，由 NVIDIA 开发的高速互联技术，连接多个 GPU，实现点对点通信。其带宽远超 PCI Express，支持 GPU 间直接内存共享，提高多 GPU 协作效率。NVLink 3.0 预计提供高达 900 GB/s 的带宽，特别适用于深度学习和科学计算应用。

InfiniBand:

InfiniBand是一种先进的高性能计算网络，连接独立服务器节点，实现高效数据传输。基于RDMA技术，它直接在内存层面传输数据，减少延迟、提升CPU效率。InfiniBand网络提供高达数十或数百GB/s的带宽和微秒级的超低延迟，是超级计算机、数据中心和GPU集群间通信的理想解决方案。

总结起来：

NVLink和InfiniBand协同创造了一个功能强大的计算生态系统，为大型GPU集群提供高性能互连。NVLink实现机内高速连接，而InfiniBand则处理跨节点数据传输，无缝支持高要求并行计算和机器学习任务。

软件栈：CUDA

3、华为昇腾

Atlas 数据中心产品线--智能算力卡

Atlas 视频卡与推理卡

从芯片封装成整卡

Atlas训练卡

卡的形态

Ascend310 卡

Ascend 310 AI处理器逻辑架构

Ascend 910

Ascend 910B 对比 NVIDIA H800和H100

据业内报道 Ascend 910B的性能接近A100

华为异腾与英伟达对标

Nvlink与HCCS对比分析

华为 CANN，神经网络计算架构，赋能 AI 计算。凭借 83% 的业界领先性能效率和 59% 的大幅能效提升，为 AI 开发者提供强大的工具，加速训练和推理。

昇腾全栈 AI 软硬件平台

寒武纪MLU

MLU 370 系列

从芯片封装成整卡

MLU-Link多芯互联

寒武纪基础软件平台

寒武纪Neuware

5、海光DCU

海光目前主流型号 Z100系列

海光DTK (DCU Toolkit)

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