溢出:从光线追踪,到人工智能 当日本游戏机厂商如日中天的时候,微软坐不住了。 2000年,微软推出了游戏机品牌Xbox。这台机器表面上是一台游戏机,其实本质上就是一台装有奔腾3芯片的PC电脑。英伟达为Xbox提供了GPU,但最终产品最终只卖了2000多万台,相比PlayStation2夸张的1.5亿台销量,基本等于被碾压。 Xbox发售后不久,微软就开始研发下一代游戏机Xbox 360,并且想跟英伟达继续合作,但前提是芯片报价必须下调。黄仁勋没有同意,加上双方其他的一些撕扯,微软一点儿都没惯着老黄,立马掉头扶持了另一家GPU公司ATI。 黄仁勋马上感受到了慈父铁拳的威力,不但让竞争对手ATI在微软和英特尔的扶持下有了跟英伟达掰手腕的能力,而且跟微软的矛盾更导致了GeForce显卡跟Windows兼容出现了问题。内外交困之下,黄仁勋一边跟微软谋求和解,一边争取到了索尼PS3的订单,熬过了危机。 尽管夹在微软和日本游戏机巨头之间,但英伟达在2000年-2007年过的可谓是非常舒服,尤其是PC机对显卡的需求与日俱增。可以说,微软+英特尔+英伟达/ATI推动了PC游戏的崛起,而PC游戏又进一步拉动了四家公司的业绩。 相比游戏机,PC游戏更能够展示“安迪-比尔”定律的残酷性。一般来说,游戏机的生命周期都在7-10年左右,芯片更新较慢。而PC上的GPU芯片往往两年就会更新一代,比起游戏机399美元的定价,高端GPU则动辄卖出上千美元。 更要命的是,即便是最顶级的显卡,往往也有带不动的游戏。2007年,欧洲游戏工作室Crytek推出了《孤岛危机》,包含了100万行代码、1GB的纹理数据和85000个着色器。 宣传文案美如画,森林里每一丝风吹草动都栩栩如生,唯一不足的是当时没有显卡能流畅运行,被调侃为“显卡危机”。 最终,用着顶级显卡的玩家们捏着鼻子一边看PPT一边把游戏通关了。这也在一定程度上变成了游戏行业一个不成文的规则:绝大多数游戏的分辨率都是可以设置的,为了适应硬件的性能,游戏公司有时不得不主动降低图形质量。而这也成为推动和引领硬件升级的一股直观驱动力。 由于硬件性能不足,《巫师3》缩水严重 游戏硬件的无止境需求成为英伟达屁股下的火箭,游戏玩家则为英伟达带来了巨额的利润和源源不断的研发费用。 自1999年上市以来,英伟达每年的研发投入占营收比例一直高达20%~30%——但玩家仍然抱怨不够用。 英特尔还专门提出过一个“GDP概念”来概括自己的高质量群体,它们分别是Gamers,D、esigners和Photographers。其中Gamers是主力中的主力。对于芯片产业来说,游戏为产业上游提供了一个近乎完美的市场化环境: ·在各种软件场景里,游戏几乎是商业机制最健康的一个,也是购买力最强的,而市场的大小决定了芯片公司能养活多少工程师。 ·以显卡为代表的芯片是一个绝对参数说话的市场,芯片公司的利润率几乎完全由芯片性能决定,即便是和爱马仕联名的RTX3060,也卖不出性能更强的RTX3080的价格。 ·但同时,游戏玩家又对成本极其敏感,这就需要芯片公司必须做好性能、良率、成本上的平衡,才能在竞争中胜出。 游戏的基本盘并没有让英伟达止步。英伟达首席科学家David Kirk有一个更大的野心:把原来只做3D渲染的GPU算力给“通用化”,能够方便地分配给其他的应用。这样,昔日只用来加速游戏的GPU,就成了真正的通用算力中心。 黄仁勋从善如流。2007年,英伟达推出了革命性的CUDA架构,前后砸了超过100亿美金,终于把GPU的应用场景给彻底解放,打开了成长的天花板,让无人驾驶、深度学习、神经网络等最新的计算机科学统统都离不开英伟达的芯片。 不仅如此,因为游戏显卡而带动的动态高分辨率、动态超频、光线追踪、DLSS等技术,也成为英伟达GPU的关键技术地盘,开始被广泛运用到建筑可视化、自动驾驶、医疗、生命科学、能源、制造业等更多领域。 以游戏起家,最后却超越游戏,英伟达在2021年一度成为全球市值最高的半导体公司。 当然,虽然黄仁勋带着英伟达已经走向了更远的星辰大海,但游戏显卡仍然是英伟达最大的技术地盘,目前还占英伟达40%左右的收入。而老黄也吃水不忘挖井人,每年都通过精湛的刀法,一轮一轮地收割着玩家们的钱包。 黄仁勋对游戏业务这样总结[4]:“We also observed that video games were simultaneously one of the most computationally challenging problems and would have incredibly high sales volume. Those two conditions don’t happen very often. Video games was our killer app—a flywheel to reach large markets funding huge R&D to solve massive computational problems。” 电子游戏是碳基人类的一种基于“硅基”的习惯,上网、聊天、办公、刷剧也同样如此,它们都是放大芯片与大众需求的连接器,使得芯片这个技术高度密集但也极度烧钱的产业,始终有足够的市场和动力,快速向前滚动和发展。 只要人类追求快乐的天性还在,游戏对半导体产业的拉动就不会停歇。 尾声 除了芯片,面板也曾是日本的典型优势产业。 1994年,日本液晶面板产量占全球的95%,索尼经典的特丽珑电视畅销全球。但问题是,日本的面板产线大部分都是1、2代线。亚洲金融危机后,日本公司无力砸钱研发,反倒是韩国猛砸3代线,彻底超越了日本。 包括面板、芯片在内的电子产业有一个非常鲜明的特点:先发者难以建立先发优势,必须持续砸钱研发,稍有懈怠就会被后来者一把追上。 由于有摩尔定律——“芯片上的晶体管密度每隔18个月就翻一番”这条铁律的存在,每当技术进步到下一个阶段,就给了新来者赶超的机会。 戈登·摩尔发表在《电子学》杂志上的论文,1965年 比如上面提到的面板,2003年到2007年间,台湾地区开始大举引入5代线,年产量4年增长了8.5倍,最终超过了韩国。结果2009年之后,中国内地厂商加入战局,把投资焦聚在高世代的8.5代线、甚至10.5代线,把台湾的面板产业直接打没了。 而航空、汽车、生物医药这类产业则恰好相反,以燃油车为例,其核心零部件发动机是一个典型的“渐进式创新”领域,只要攻克核心技术,就会建立起非常高的壁垒,想要追赶就只能从零开始。这就很容易形成领跑者的圈子文化,导致强者恒强,后来者一步落后、步步落后。 正如西村吉雄在《日本电子产业兴衰录》中的那个提问:90年代后,日本的汽车产业依然欣欣向荣,为什么电子产业坍塌了? 而当我们回溯电子产业并不漫长却波澜壮阔的发展,往往会聚焦于顶层政策的纵横捭阖,产业英雄的一夫当关,技术路线的千金豪赌,反而忽略了构筑起人类工业与科技结晶的地基:市场——千千万万个消费者用钱投票,选出了那些屹立在产业链顶端的庞然大物。 以台积电为例,一座12寸晶圆厂造价高达30亿美元,台积电每年买设备、建产线的资本开支高达数百亿美元。为这些成本买单的,其实是苹果、英伟达、AMD这些顶级芯片设计公司的订单,而这些公司背后,是数量庞大,且对性能有高追求的电子产品用户及游戏玩家。 我们复盘英伟达的崛起,会发现这个过程中有许多推动力,比如芯片产业的全球分工,比如芯片通用化的趋势,比如新技术场景的开拓。但追根溯源,依然是玩家的购买力支撑起了一家GPU的全球霸主。换句话说,RTX4090里的每一个晶体管,都是打游戏的报销的。 2021年,英伟达的研发支出达到52.68亿美元,仅次于英特尔和高通,在全球半导体公司里位列第三。如今,3nm芯片设计费用动辄15亿美元,5nm芯片的流片(即芯片试生产)成本高达4725万美元。 每一家半导体巨头背后,往往都屹立着一个巨大的市场,比如智能手机之于高通,PC之于英特尔,游戏、AI、自动驾驶之于英伟达。 《使命召唤》中,以假乱真的阿姆斯特丹街景 正如前文所说,由于“安迪-比尔定律”的存在,游戏对芯片公司是一个非常完美的市场,游戏开发商会不断的催促芯片设计的进步,游戏玩家即便支付意愿强烈,也会严苛的审视每一行参数。最终,数以亿计的晶体管在AI、云计算、自动驾驶这些技术的前沿长久的散发着光芒。 时至今日,游戏的图形技术依然追随着摩尔定律前进的步伐,代码、多边形与贴图经由GPU上计算单元的处理,变成大大小小的屏幕上剑与魔法的冒险,一次又一次的惊艳着全世界的玩家,也在潜移默化的推动一个个行业的进步。 当1972年,美国人诺兰·布什内尔发售PONG游戏,他不会想到游戏玩家对快乐的追求可以创造多么伟大的生产力。他更不会预想到,这些在芯片发展史上不曾留下姓名的一个又一个普通消费者,会扮演怎样重要的角色了。 参考资料[1] 游戏结束,戴维·谢弗[2] 乔布斯传,2011年[3] Whence Came the Famicom’s Brain? Metopal, 2012
[4] This Man Is Leading an AI Revolution in Silicon Valley, 2017