GPUGPU主要用途及相關(guān)API標準

在大國博弈、貿(mào)易摩擦的大背景之下，反制“卡脖子”的國產(chǎn)化替代浪潮滾滾而來。本期內(nèi)容將為大家?guī)砦覀儗?a href="http://www.1cnz.cn/tags/gpu/" target="_blank">GPU國產(chǎn)化替代的初步探索：GPU API的主要用途及國內(nèi)主流GPU對這些API的支持現(xiàn)狀。

作者：廖長軍、仇昌棟

單位：中國移動智慧家庭運營中心成都分公司

Part 01 ●??GPU主要用途及相關(guān)API標準?●?

本期內(nèi)容探索的GPU主要用途包括：圖形渲染、計算加速、視頻編解碼。

圖形渲染：GPU可以加速三維圖形的渲染，使得復雜的三維場景可以以流暢的幀率顯示在屏幕上；也能支持多種圖形效果，如陰影、反射、抗鋸齒等，可以提高圖像的真實感和美觀度。

計算加速：GPU擁有比CPU更強的并行計算能力，可以加速各種計算密集型任務(wù)，例如對圖像進行濾波、變換等操作。

視頻編解碼：GPU可以加速視頻編解碼的過程，使得視頻的壓縮和解壓縮速度更快。GPU可以通過硬件加速的方式來處理視頻編解碼，從而減輕CPU的負擔，提高視頻處理的速度和效率。

基于這些主要用途，每個分類都有對應(yīng)的API標準支持，分別是圖形渲染API標準、通用計算API標準和視頻編解碼API標準。

Part 02 ●??圖形渲染API標準?●?

GPU的圖形渲染API標準主要有：OpenGL、Vulkan、DirectX。（注意：本文中OpenGL泛指OpenGL家族相關(guān)API，包括：OpenGL、OpenGL ES、WebGL等。）

2.1 OpenGL

OpenGL（Open Graphics Library）是一種用于渲染2D和3D圖形的跨平臺圖形庫，它提供了一組功能強大的API，用于管理圖形渲染流程和圖形硬件的交互。它可以在多個操作系統(tǒng)和硬件平臺上運行：

Windows：OpenGL在Windows操作系統(tǒng)上廣泛支持，甚至Windows95也能找到OpenGL的支持。

Linux：幾乎所有的Linux發(fā)行版都支持OpenGL。

MacOS：OpenGL是MacOS的默認圖形庫。

Android：開發(fā)者可以使用OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）來創(chuàng)建移動設(shè)備上的圖形應(yīng)用程序。

iOS：與Android類似，可以通過OpenGL ES來創(chuàng)建iOS設(shè)備（如：iPhone、iPad等）上的圖形應(yīng)用程序。

Web：在Web瀏覽器中，可以通過WebGL（Web Graphics Library）來實時渲染2D或3D圖形。WebGL是一種基于OpenGL ES的Web標準。

2.2 Vulkan

Vulkan與OpenGL一樣由Khronos Group開發(fā)，它旨在提供更高效、更可擴展的圖形和計算性能，同時保持跨平臺兼容性。相對于OpenGL，Vulkan有以下優(yōu)勢：

更高的性能：Vulkan能夠更好地利用多核處理器和GPU的并行計算能力，提供更高的幀率和更低的延遲。

更好的可擴展性：Vulkan的設(shè)計允許開發(fā)者更好地管理資源和內(nèi)存，并能夠更好地適應(yīng)不同的硬件平臺。

更嚴格的驗證：Vulkan強制執(zhí)行更嚴格的規(guī)則和驗證，以避免錯誤，提高穩(wěn)定性和可靠性。

更靈活的管道：Vulkan的管道可以通過自定義擴展來適應(yīng)不同的需求，從而提供更大的靈活性。

更好的跨平臺兼容性：Vulkan支持更多的操作系統(tǒng)，可以在各種平臺上實現(xiàn)更高的性能。

但也有以下劣勢：

學習曲線陡峭：開發(fā)過程需要維護更多與GPU硬件交互的細節(jié)，需要更多的時間和精力來學習和掌握。

缺乏成熟的工具和庫：相對于OpenGL，Vulkan的支持工具和庫還不夠成熟，需要更多的自行開發(fā)和定制。

更多的代碼：相對于OpenGL，Vulkan需要更多的代碼來實現(xiàn)相同的功能，需要更多的開發(fā)時間和勞動力。

2.3 DirectX

DirectX是微軟開發(fā)的一套多媒體編程接口，包含Direct3D、Direct2D等等多個不同用途的子部分，用于游戲開發(fā)、圖像處理等領(lǐng)域。它主要支持：2D渲染、3D渲染、多媒體處理、輸入輸出設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)通信等。

相對于OpenGL與Vulkan：

DirectX只能在Windows或者Xbox系統(tǒng)上使用；

采用C++編程開發(fā)，不支持多語言開發(fā)；

Part 03 ●??通用計算API標準?●?

GPU的通用計算API標準主要有：OpenCL、CUDA。

3.1 OpenCL

OpenCL（Open Computing Language）是一個為異構(gòu)平臺編寫程序的框架，提供了基于任務(wù)分割和數(shù)據(jù)分割的并行計算機制。OpenCL的主要功能特性如下：

并行計算：支持并行執(zhí)行計算任務(wù)，使得計算速度提高。

跨平臺支持：是一個跨平臺的開發(fā)框架，可以在不同的操作系統(tǒng)和硬件上運行，比如：Windows、Linux、MacOS、Android等。但是，OpenCL的支持程度取決于硬件廠商和驅(qū)動程序的實現(xiàn)。通常，NVIDIA、AMD、Intel等主流GPU廠商在硬件以及驅(qū)動層面都提供了對OpenCL的支持，國產(chǎn)大部分GPU廠商也提供了對OpenGL的支持，如：摩爾線程、景嘉微、芯動科技、格蘭菲等。

多設(shè)備支持：支持多種設(shè)備，包括CPU、GPU、DSP、FPGA等。

多線程支持：支持多線程執(zhí)行計算任務(wù)，可以充分利用多核CPU和GPU的性能。

動態(tài)編譯：支持動態(tài)編譯，可以根據(jù)不同的硬件環(huán)境進行優(yōu)化。

內(nèi)存管理：提供了內(nèi)存管理功能，可以對內(nèi)存進行分配、釋放、傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

數(shù)學庫支持：提供了數(shù)學庫支持，可以進行向量、矩陣計算等操作。

圖像處理：提供了圖像處理功能，可以進行圖像處理、濾波、變換等操作。

3.2 CUDA

CUDA（Compute Unified Device Architecture）是NVIDIA推出的一種用于GPU并行計算的平臺和編程模型。它允許開發(fā)者使用GPU來加速計算密集型應(yīng)用程序，包括科學計算、深度學習、圖形處理、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。CUDA提供了一種高效的編程模型和工具鏈，使得開發(fā)者可以充分利用GPU的并行計算能力，從而加速應(yīng)用程序的運行速度。

CUDA支持的主要功能如下：

并行計算：允許程序在GPU上并行執(zhí)行，從而充分利用GPU的并行計算能力。開發(fā)者可以使用CUDA C/C++語言編寫并行計算程序，或者使用CUDA工具鏈將現(xiàn)有的C/C++代碼轉(zhuǎn)化為CUDA代碼。

GPU加速：提供一種高效的GPU加速技術(shù)，可以將計算密集型任務(wù)移植到GPU上，從而大大提高應(yīng)用程序的運行速度。

大規(guī)模數(shù)據(jù)處理：處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。開發(fā)者可以利用CUDA的并行計算能力，快速處理這些數(shù)據(jù)，從而加速應(yīng)用程序的運行速度。

深度學習：提供了一種高效的深度學習平臺，可以加速深度學習模型的訓練和推理。開發(fā)者可以使用CUDA加速深度學習框架，如TensorFlow、PyTorch等。

圖形處理：加速圖形處理任務(wù)，如圖像處理、計算機視覺等。

Part 04 ●?視頻編解碼API標準?●?

基于GPU的視頻編解碼API標準主要有：OpenMAX DL、VDPAU、VA-API、NVENC/NVDEC等。

4.1 OpenMAX DL

OpenMAX是一個不需要授權(quán)、跨平臺的用來處理多媒體內(nèi)容的軟件抽象層API集合。OpenMAX包含三層API：應(yīng)用層（OpenMAX AL）、整合層（OpenMAX IL）、開發(fā)層（OpenMAX DL）。涉及視頻編解碼標準的API則位于OpenMAX DL。

OpenMAX DL API定義了一組低層級的多媒體內(nèi)核或媒體處理API標準，包含多個方面：

a.信號處理（signal processing）：通用音頻處理函數(shù)

b.圖像處理（image processing）：通用圖像處理函數(shù)

c.音頻編解碼（audio coding）：音頻編解碼器（MP3 解碼器和 AAC 解碼器組件）

d.圖像編解碼（image coding）：圖像編解碼器（JPEG 組件）

e.視頻編解碼（video coding）：視頻編解碼器（H.264 和 MP4 組件）

4.2 VDPAU

VDPAU（Video Decode and Presentation API for Unix）是為UNIX 系統(tǒng)視頻解碼/顯示制定的開源的API標準。VDPAU 允許視頻程序訪問 GPU 上的專用視頻解碼組件（ASIC），以將部分視頻解碼和視頻處理過程從 CPU 調(diào)度到 GPU進行。

當前能夠通過VDPAU調(diào)度到GPU上的處理過程包括對MPEG-1、MPEG-2、H.263/MPEG-4 ASP、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、WMV3、WMV9等編碼視頻的Deblocking工作。

4.3 VA-API

VA-API（Video Acceleration API）是一種允許視頻程序使用GPU提供的硬件視頻加速功能的API規(guī)范。最初由Intel為其特有GPU硬件設(shè)計，目前已不局限于Intel特定硬件，其他廠商的硬件也可以免費使用并支持這個開放API標準。

類似VDPAU，VA-API 的主要目的也是為視頻編解碼的過程中的多個環(huán)節(jié)提供硬件加速功能。VA-API主要支持的編碼格式包括：MPEG-2、H.263/MPEG-4 ASP、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、VP9等。

4.4 NVENC/NVDEC

NVIDIA GPU通過獨立于 CUDA 核心的編/解碼器（對應(yīng)NVENC/NVDEC）為幾種主要的編碼格式提供基于硬件的視頻編解碼加速，包括：AV1、MPEG-2、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC、VC-1、VP8、VP9等。

Part 05 ●??國產(chǎn)GPU支持現(xiàn)狀及總結(jié)?●?

結(jié)合團隊目前調(diào)研的云VR渲染應(yīng)用場景，我們重點關(guān)注國產(chǎn)GPU的以下方面：

虛擬化，使得一張物理GPU支持多個虛擬機。

圖形渲染算力及API支持情況。

操作系統(tǒng)支持，主流及國產(chǎn)OS。

綜合以上維度，國內(nèi)最新GPU產(chǎn)品詳細對比如下（通用計算領(lǐng)域GPU除外）：