20160531-广发证券-计算机应用行业深度研究：从软件算法生态看GPU的发展与局限_23页_2mb

文档总结

核心内容

本文档主要探讨了GPU在计算机应用行业中的角色、发展潜力及面临的挑战。重点分析了GPU在人工智能、VR/AR、云计算/大数据等领域的应用前景，同时指出GPU在某些场景下的局限性。

主要观点

1. GPU的定义与作用

• GPU是图形处理器，最初用于图形计算，后扩展至大规模并行计算任务。
• GPU作为协处理器，主要解决CPU无法满足的并行计算需求，尤其在图像处理、科学计算、金融计算等领域表现突出。
• GPU的性能优势体现在高并行度、高吞吐量，但其在计算精度、实时性、延迟等方面存在不足。

2. GPU在人工智能领域的挑战

• GPU在早期被用于人工智能加速，如谷歌的图像识别、AlphaGo项目等。
• 然而，GPU未必是人工智能加速的最终解决方案，FPGA与TPU等专用芯片在能效、延迟等方面更具优势。
• 谷歌TPU通过降低计算精度和优化片上网络结构，在能耗效率上比GPU高出一个数量级。
• GPU和FPGA的片上网络架构（如树状NOC）在神经网络计算中存在瓶颈，难以满足人工智能对实时性和数据通信复杂性的要求。

3. GPU在VR/AR中的重要性

• VR对图形处理性能要求远高于普通显卡，需高性能GPU支撑。
• 高端GPU市场将在VR设备推动下增长，预计市场空间在游戏主机和高清电视之间。
• 当前主流VR头显如Oculus Rift和HTC VIVE需要配备顶级显卡，如NVIDIA GTX970或AMD R9 290。
• 随着VR/AR设备的普及，GPU在该领域的应用前景广阔。

4. GPU在云计算/大数据中的应用

• GPU具备强大的并行计算能力，适合用于云计算和大数据处理，如Hadoop中的Map-Reduce算法。
• 亚马逊AWS等云计算服务商已将GPU集成至其云服务中，如EC2实例。
• 云计算+GPU+游戏的结合模式有望成为未来游戏产业的发展方向，但受网络基础设施限制，尚未大规模商用。

5. GPU的市场现状与趋势

• GPU市场正在向SoC集成方向发展，未来SoC集成GPU的市场份额将超过独立GPU。
• 当前GPU市场由NVIDIA和AMD主导，NVIDIA在独立GPU市场占有率较高，但其在数据中心业务增长迅速。
• GPU产业长期被寡头垄断，A股相关公司较少，市场集中度高。

关键信息

技术特性

• GPU主要优化计算并行度和吞吐量，但其计算精度和片上网络设计存在短板。
• TPU通过裁剪计算精度和优化片上网络，在能耗效率上远超GPU。
• 神经网络计算需求为网状数据流，对片上网络要求较高，而GPU和FPGA均未完全满足。

市场预测

• VR/AR设备将推动中高端GPU市场增长。
• 未来高性能GPU市场空间预计在游戏主机数量以上，但低于游戏主机+高清电视的总量。
• 云计算和大数据应用将成为GPU的重要增长点。

行业趋势

• 专用人工智能加速芯片将逐步取代GPU这类过渡方案。
• GPU的市场空间将逐步被SoC集成GPU取代，未来市场格局可能呈现“7:2:1”或单寡头垄断。
• 人工智能专用芯片的出现将对GPU构成挑战，但目前GPU仍占据主导地位。

风险提示

• GPU与并行计算技术发展迅速，易被新技术颠覆。
• GPU产业长期由NVIDIA和AMD等寡头主导，A股相关公司较少，存在较大差距。

投资要点

1. GPU是解决大规模并行计算问题的重要工具，但其性能指标在不同计算任务中差异较大。
2. 虽然GPU在人工智能早期应用广泛，但TPU等专用芯片正在逐步取代其在该领域的主导地位。
3. VR/AR、云计算/大数据是GPU未来的主要增长领域。
4. GPU市场将向SoC集成方向发展，未来市场格局可能更加集中。
5. 人工智能专用芯片的发展将对GPU形成威胁，但短期内GPU仍是主流选择。

图表索引

• 图1：计算机显示的基本过程
• 图2：独立GPU和SoC集成GPU
• 图3：CPU的设计性能偏向以及图形计算的要求
• 图4：一些较匹配GPU特性的计算任务要求雷达图
• 图5：不同并行计算芯片资源分配倾向
• 图6：GPU常用的树形片上网络拓扑传递计算单元数据
• 图7：GPU按照出货颗数和SoC IP加总的市场占有率变化
• 图8：击败李世石的人工智能计算集群中使用了TPU
• 图9：CPU与GPU的架构差别概要
• 图10：GPU/FPGA与神经网络计算需求的差异
• 图11：比较神经网络/GPU/FPGA的并行计算模型差别
• 图12：GPU计算节点片上通信原理
• 图13：FPGA计算节点片上通信原理
• 图14：VGchartz统计三大主流游戏主机全球月销量
• 图15：全球4Kx2K及以上级别高清电视出货量及同比增长率
• 图16：在AWS EC2中调用GPU的原理
• 图17：云、GPU、和游戏结合的原理

相关研究

• “度秘”机器 2016-04-26
• 企业级 2016-03-02
• 人工智能在消费电子、通信、医疗等领域的应用前景广阔。

分析师信息

• 刘雪峰：首席分析师，广发证券发展研究中心
• 王文龙、王奇珏：研究助理，广发证券发展研究中心

投资评级说明

• 买入：预期未来12个月内，股价表现强于大盘10%以上。
• 持有：预期未来12个月内，股价相对大盘的变动幅度介于-10%～+10%。
• 卖出：预期未来12个月内，股价表现弱于大盘10%以上。

公司投资评级说明

• 买入：预期未来12个月内，股价表现强于大盘15%以上。
• 谨慎增持：预期未来12个月内，股价表现强于大盘5%～15%。
• 持有：预期未来12个月内，股价相对大盘的变动幅度介于-5%～+5%。
• 卖出：预期未来12个月内，股价表现弱于大盘5%以上。

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