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GPU是什么？与 FPGA 有何关联

news 来源：原创 2025/8/26 2:24:03

前段时间，AMD 和英伟达相继接到通知将对我国断供高端 GPU 芯片，很多人这才意识到 GPU 的战略价值。那么 GPU 究竟是什么？它为何如此重要？今天就由 宸极教育 带大家一起了解 GPU 的核心地位，以及它与国产FPGA发展的关系。

什么是 GPU？

GPU（Graphics Processing Unit），中文为图形处理器，又叫显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专用于图像和图形运算的微处理器，广泛应用于个人电脑、工作站、游戏主机、移动设备（如手机、平板）等终端中。

GPU 最初是为了加速图形渲染和游戏图像而诞生的，随着人工智能、科学计算、大数据等技术的发展，GPU的通用计算能力（GPGPU）逐渐成为计算领域的新动力源。

如今，不仅仅是图像处理，GPU 在 AI 推理训练、自动驾驶感知、元宇宙、边缘计算等领域都起着至关重要的作用。可以说，GPU 已成为现代高性能计算的核心器件之一。

GPU有多重要？

GPU 的重要性在多个技术领域体现得淋漓尽致：

AI与深度学习：GPU 是当下最主要的 AI 计算平台，支持大规模矩阵运算、并行计算，是训练大模型的关键工具；
图像渲染与视觉计算：包括游戏、3D建模、视频编解码、数字孪生等；
自动驾驶：GPU 驱动感知计算与图像处理，在汽车的自动驾驶域控制器中广泛使用；
元宇宙与虚拟现实：VR/AR 场景的图形处理离不开强大的 GPU 渲染支持；
区块链：GPU 在挖矿中承担计算核心任务；
云计算平台：公有云和私有云服务商纷纷集成 GPU 计算资源，以支撑企业级 AI 和大数据计算需求。

尤其是在国产替代加速推进的背景下，高性能 GPU 芯片被视为“卡脖子”关键技术之一，芯片自主化成为国家战略，而 FPGA 则是 GPU 技术替代与配套中不可或缺的角色。

GPU 与 FPGA 有何关联？

虽然 GPU 和 FPGA 是不同类型的处理器，前者以图形渲染和通用并行计算为主，后者以可编程硬件逻辑为特色，但两者在高性能计算中具有协同发展趋势：

FPGA 可以作为 GPU 的协处理器：比如在 AI 加速、视频处理、数据预处理阶段，FPGA 可承担低延迟、低功耗的任务；
国产替代路径中，FPGA 是重要支撑：面对国外 GPU 的断供压力，FPGA 具备灵活部署、定制化强、适合国产生态融合的优势，是国产替代路线中的战略备选；
GPU原型验证可基于FPGA实现：在 GPU 架构设计初期，工程团队会使用 FPGA 板卡进行验证仿真，快速评估芯片架构性能；
AI边缘端部署中，FPGA 与 GPU 组合构成异构计算平台，满足功耗、算力、带宽等多种需求。

简而言之，在高性能计算与芯片自研领域，GPU 的地位无可替代，而 FPGA 则是连接底层芯片设计与上层应用需求的桥梁。

GPU 的核心用途

GPU 是处理图像和并行计算任务的专用处理器，它在硬件系统中的地位可以理解为：

显卡的大脑：GPU 决定显卡的性能和档次，核心指标包括频率、CUDA 核心数、显存带宽等；
图形加速器：传统 2D 显示依赖 CPU，称为“软加速”，而 GPU 实现硬件加速，将图像渲染任务完全接管；
通用计算引擎：现代 GPU 已不局限于图形处理，其 GPGPU 架构广泛应用于数值模拟、机器学习、数据分析等场景；
图形渲染流水线核心：将 3D 模型转换为 2D 图像，并添加纹理、光影效果等，实现逼真画面。

国产GPU研发为何如此艰难？

目前我国在 GPU 领域的发展仍处于早期阶段，原因包括：

长期依赖国外 GPU 架构和生态：主流桌面和移动平台几乎被 NVIDIA 和 AMD 垄断；
专利壁垒密集：GPU 属于高端 SoC，国际厂商早已筑起专利壁垒，自主研发受限；
缺乏软硬全栈人才体系：GPU 开发需覆盖架构设计、算法实现、RTL 开发、验证测试、驱动编写、GUI适配等多个环节，涉及软件、硬件、系统工程一体化；
产业链支撑不足：需要先进工艺支持、高端EDA工具、本土操作系统与应用生态共同发展。

因此，在 GPU 自主研发的过程中，FPGA 成为不可或缺的过渡技术和验证平台。在设计初期，使用 FPGA 进行系统级仿真和快速验证已是行业通用做法。同时，国产 FPGA 厂商如紫光同创、安路科技、复旦微电子等也在积极向 AI 加速方向拓展，成为 GPU 替代技术的重要尝试。

总结

GPU 是现代数字经济的核心算力引擎，在图形渲染、AI 加速、自动驾驶、元宇宙等领域广泛应用，其技术战略地位不言而喻。而 FPGA 不仅是国产 GPU 设计验证的重要平台，更是构建自主可控计算体系的重要力量。

未来，随着国内对高性能芯片自主化的深入推进，GPU 与 FPGA 的协同发展将成为“软硬一体”新生态的关键。

欢迎了解更多关于 FPGA 与高性能计算的结合路径，在芯片强国之路上，我们共同成长。

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