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中國電子信息工程科技發展研究——圖形處理器及產業應用專題 版權信息
- ISBN：9787030697141
- 條形碼：9787030697141 ; 978-7-03-069714-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
中國電子信息工程科技發展研究——圖形處理器及產業應用專題 本書特色
適讀人群 ：信息科技領域工程技術人員，國家不同層面和不同領域的各界專家學者、廣大互聯網用戶自誕生起就保持以超越摩爾定律的速度飛速迭代，其作為圖形計算領域的核心處理平臺極大的提高了計算機圖形處理的性能和質量，并促進了游戲競技、影視動畫等相關應用領域的技術革新。
中國電子信息工程科技發展研究——圖形處理器及產業應用專題 內容簡介
圖形處理器（GraphicsProcessingUnits,GPU）自誕生起就保持以超越摩爾定律的速度飛速迭代，其作為圖形計算領域的核心處理平臺極大的提高了計算機圖形處理的性能和質量，并促進了游戲競技、影視動畫等相關應用領域的技術革新。目前，GPU憑借其極高的并行計算性能和相對廉價的計算成本，已成功將其應用范圍擴展到了高性能計算的通用領域，并成為市場上主流的處理器之一。本文從GPU的產生、發展及國內外研究現狀入手，完整概述了GPU的軟硬件體系結構及技術原理，很后綜述了GPU的主要應用領域及發展現狀，并進行了GPU未來發展的展望。
中國電子信息工程科技發展研究——圖形處理器及產業應用專題 目錄
目錄
《中國電子信息工程科技發展研究》編寫說明
前言
第1章 緒論 1
1.1 圖形處理器GPU簡介 1
1.2 圖形處理器GPU的產生背景 1
1.3 圖形處理器GPU的發展歷程 4
1.3.1 傳統圖形加速器的發展歷程 5
1.3.2 GPU的提出和Shader Model的發展 9
1.3.3 GPGPU的概念及其發展 16
第2章 全球發展態勢 18
2.1 全球主要國家政策舉措 18
2.2 國外發展態勢 19
2.2.1 NVIDIA公司 20
2.2.2 AMD公司 23
2.3 全球專利分布態勢 24
第3章 我國發展現狀 25
3.1 我國的政策部署 25
3.2 我國的熱點亮點 26
3.3 國產化圖形處理器產品 27
第4章 GPU系統組成 28
4.1 GPU硬件架構 28
4.1.1 GPU與并行計算 28
4.1.2 SIMT技術 30
4.1.3 GPU的組成結構 31
4.1.4 GPU硬件架構對智能算法的支持 43
4.2 GPU編程模型 46
4.2.1 統一計算架構CUDA 47
4.2.2 開放標準OpenCL簡介 50
4.2.3 對人工智能的軟件支持 52
第5章 GPU創新應用 58
5.1 應用模式 58
5.2 GPU的市場現狀 60
5.3 GPU的代表性應用場景 61
5.3.1 傳統圖形學領域應用 62
5.3.2 高性能科學計算領域應用 65
5.3.3 大數據系統領域應用 72
5.3.4 人工智能領域應用 78
5.3.5 加密貨幣領域應用 80
5.3.6 物聯網領域應用 81
5.3.7 虛擬現實領域應用 81
第6章 未來展望 82
6.1 智能時代，未來已來 82
6.2 GPU與人工智能 83
6.3 GPU未來發展 85
第7章 結束語 88
致謝 90
參考文獻 91
《中國電子信息工程科技發展研究》編寫說明
前言
第1章 緒論 1
1.1 圖形處理器GPU簡介 1
1.2 圖形處理器GPU的產生背景 1
1.3 圖形處理器GPU的發展歷程 4
1.3.1 傳統圖形加速器的發展歷程 5
1.3.2 GPU的提出和Shader Model的發展 9
1.3.3 GPGPU的概念及其發展 16
第2章 全球發展態勢 18
2.1 全球主要國家政策舉措 18
2.2 國外發展態勢 19
2.2.1 NVIDIA公司 20
2.2.2 AMD公司 23
2.3 全球專利分布態勢 24
第3章 我國發展現狀 25
3.1 我國的政策部署 25
3.2 我國的熱點亮點 26
3.3 國產化圖形處理器產品 27
第4章 GPU系統組成 28
4.1 GPU硬件架構 28
4.1.1 GPU與并行計算 28
4.1.2 SIMT技術 30
4.1.3 GPU的組成結構 31
4.1.4 GPU硬件架構對智能算法的支持 43
4.2 GPU編程模型 46
4.2.1 統一計算架構CUDA 47
4.2.2 開放標準OpenCL簡介 50
4.2.3 對人工智能的軟件支持 52
第5章 GPU創新應用 58
5.1 應用模式 58
5.2 GPU的市場現狀 60
5.3 GPU的代表性應用場景 61
5.3.1 傳統圖形學領域應用 62
5.3.2 高性能科學計算領域應用 65
5.3.3 大數據系統領域應用 72
5.3.4 人工智能領域應用 78
5.3.5 加密貨幣領域應用 80
5.3.6 物聯網領域應用 81
5.3.7 虛擬現實領域應用 81
第6章 未來展望 82
6.1 智能時代，未來已來 82
6.2 GPU與人工智能 83
6.3 GPU未來發展 85
第7章 結束語 88
致謝 90
參考文獻 91
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中國電子信息工程科技發展研究——圖形處理器及產業應用專題 節選
第1章 緒論 1.1 圖形處理器GPU簡介 GPU又稱為圖形處理器，由NVIDIA公司于1999年提出。其誕生之初，是一種專門進行圖像和圖形相關計算的微處理器體系結構[1]，不同于僅用于圖像文字輸出的顯示適配器，可進行圖像的實時渲染用以適應電子設備中日益復雜的圖形計算需求。目前，GPU已成為了數據中心、個人電腦和移動設備等進行實時圖像處理時不可或缺的芯片，并成功拓展到了更多的計算密集型領域。 1.2 圖形處理器GPU的產生背景 在GPU產生之前，主流的處理器架構主要基于馮？諾依曼架構，將程序和數據合并存儲，使用多級緩存技術來解決處理器系統的“功耗墻”問題，以降低存儲系統的訪問壓力。然而，隨著緩存層次和存儲容量的不斷升級，其在面向大規模并行任務處理時的帶寬增益有限，需要尋求新的解決方案以實現處理效率的不斷提升。 如圖1.1所示，傳統的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)為了在處理不同的數據類型時保持很強的通用性，需要兼顧不同具有復雜計算和復雜數據依賴關系的處理任務，具有強大的計算單元、較大容量的層次化緩存和復雜的控制邏輯(包含復雜流水線、分支預測、亂序執行等功能)。如圖1.2所示，GPU的內部具有數量眾多的計算單元和超長的流水線，其內存帶寬比CPU提高一個數量級以上，可達到數百GB/s。 圖1.1 CPU架構示意圖 圖1.2 GPU架構示意圖 由表1.1可以看出，相較于CPU，GPU可通過眾核并行實現高吞吐量，在計算密集且易于并行的應用場景中具有無可比擬的優勢。然而在計算機應用中，I/O密集型和內存密集型程序也十分廣泛。因此，在大多數情況下，GPU不是一個獨立運行的計算平臺，需要與CPU協同工作，而不是取代CPU。如圖1.3所示，GPU通常作為CPU的外部設備存在，需要借助PCIe或NVLink與CPU主機系統進行通信。 表1.1 GPU和CPU的架構主要差別分析 GPU CPU 數據并行任務并行存儲模塊容量小，訪問速度快存儲模塊容量大，訪問速度較慢眾核多核時鐘頻率適中時鐘頻率高 圖1.3 GPU與CPU之間的數據交互方式 下面將以圖像渲染為例，詳細介紹CPU+GPU的異構計算工作過程(如圖1.4所示)。首先，CPU將所有渲染所需的數據從硬盤加載到系統內存中，生成多方形和紋理等數據并傳遞到GPU的視頻內存中。然后，GPU采用流式并行模式，在與CPU進行多次數據交換的同時，對多個圖像數據(如頂點位置坐標等)進行并行實時處理，實現坐標系轉化、頂點處理、光柵化計算、紋理貼圖和像素著色等功能，并將生成完畢的渲染信息傳送至幀緩沖區，*終傳遞給外部顯示設備。 圖1.4 GPU的圖形(處理)流水線 1.3 圖形處理器GPU的發展歷程 回顧GPU近20年的發展歷程，其隨著自身架構不斷發展的同時，可編程性日益增強，應用范圍日益廣泛。起初，GPU僅用于圖形計算加速，面向二維、三維等圖形計算需求。之后，為了發揮GPU在強大的并行處理能力和可編程流水線的優勢，人們開始把非圖形數據的浮點運算包裝成圖形渲染任務來交給通用圖形處理器(General-purpose Graphics Processing Unit， GPGPU)處理。 1.3.1 傳統圖形加速器的發展歷程 1981年，IBM公司發布了彩色圖形適配器(Color Graphics Adapter， CGA)，標志著個人計算機的圖形處理單元的出現。CGA提供了多種圖形和文字的現實模式，*大可以達到640×200像素的顯示分辨率，以及*高16色的顯示能力。CGA提供了兩種標準文字顯示模式(40×25像素×16色、80×25像素×16色)和兩種常用的圖形限時模式(320×200像素×4色和640×200像素×4色)。在通常情況下，CGA可以在320×200的分辨率下同時顯示*多4種顏色[2]。圖1.5是IBM早期發布的一款CGA。 圖1.5 原始IBM彩色圖形適配器[3] 隨著計算機工藝的發展，IBM公司在1984年發布了增強圖形適配器(Enhanced Graphics Adapter， EGA)，取代了CGA。在640×350像素的分辨率下，EGA可以顯示16色，幀緩存*多256KB字節。此外，EGA還包含一個16KB大小的只讀存儲器和一個Motorola MC6845視頻地址生成器[4]。圖1.6是IBM公司發布的一版EGA卡。 1987年，IBM公司為PS/2系列發布了視頻圖形陣列(Video Graphics Arrays， VGA)圖形卡。VGA具有突破性的功能能以640×480像素的屏幕分辨率顯示多達16種顏色。 圖1.6 IBM公司的EGA卡(64KB版本)[5] 在320×200像素的較低分辨率下，VGA*多可以顯示256色。VGA被認為是現代圖形處理器的典型，它的15腳連接器用于標準的模擬PC顯示適配器已經有二十多年了，即使是在數字顯示器和數字視頻界面出現之后，它仍是傳統輸入。在PC圖形已經超出VGA限制之后的很長時間，其顯示規格仍用于許多手持設備的較小屏幕[6]。圖1.7是1989年第43周生產的IBM 90×8941 VGA芯片，位于Personal System/55的系統板上。 圖1.7 1989年第43周生產的IBM 90×8941 VGA芯片[7]
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