元宇宙之芯

在元宇宙中，要實(shí)現(xiàn)一滴水珠映射景物的逼真倒影、雪茄燃燒時(shí)煙霧彌漫的意境特效，都需要芯片的計(jì)算能力千萬倍的提升和圖像處理能力千萬級(jí)的擴(kuò)展。作為人們對(duì)數(shù)字世界的終極想象，元宇宙這個(gè)舞臺(tái)足夠大、技術(shù)挑戰(zhàn)也無限高。在通往元宇宙的道路上，芯片是堅(jiān)實(shí)路基和強(qiáng)大底座。為此，《中國電子報(bào)》記者采訪了英特爾、英偉達(dá)、高通等芯片廠商，看它們?cè)跇?gòu)筑元宇宙之“芯”時(shí)如何八仙過海、各顯神通。

元宇宙芯片的算力提升將是千倍級(jí)

在2021年4月的GTC線上峰會(huì)，英偉達(dá)CEO黃仁勛在招牌式的“廚房演講”中，使用了約14秒的“虛擬廚房”和“數(shù)字替身”，引發(fā)全球媒體熱議。這個(gè)以假亂真的“小魔術(shù)”，是通過3D掃描、語音驅(qū)動(dòng)人物口型和動(dòng)作、衣料等物理材質(zhì)的還原、廚房建模、可視化預(yù)覽等一系列圖像處理技術(shù)來完成的。而完成這些動(dòng)作的基礎(chǔ)是GPU（圖像處理芯片）。

“元宇宙首先要有可視化的因素，可視化需要一個(gè)具有基于物理正確的光照和材質(zhì)的仿真環(huán)境，也就是圖形技術(shù)。基于RTX（英偉達(dá)的設(shè)計(jì)與可視化技術(shù)）實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，我們把以前需要大量集群離線渲染才能實(shí)現(xiàn)的影視級(jí)別渲染畫面做到了實(shí)時(shí)化，RTX技術(shù)和其對(duì)應(yīng)的硬件加速單元RT Core正是為此應(yīng)運(yùn)而生。”英偉達(dá)專業(yè)可視化亞太區(qū)業(yè)務(wù)主管沈威在接受《中國電子報(bào)》專訪時(shí)表示。

要實(shí)現(xiàn)《雪崩》（美國作家尼爾·斯蒂芬森的科幻小說）所描述的元宇宙中“每一滴水珠都反射出辦公室窗子縮小了的倒影”的逼真感，對(duì)于GPU的光線追蹤和特性還原能力，提出了前所未有的要求。“元宇宙需要對(duì)真實(shí)物理世界進(jìn)行映射，這其中就存在大量的物理計(jì)算，比如空氣流體煙霧粒子爆炸等特效，這背后都是CUDA（英偉達(dá)推出的并行計(jì)算平臺(tái)和編程模型）通用計(jì)算模型的應(yīng)用。”沈威說。

實(shí)際上，在《雪崩》所構(gòu)想的元宇宙中，模擬雪茄煙霧所需的算力和“模擬整個(gè)地球的天氣系統(tǒng)”不相上下。日本作家鈴木光司的科幻小說《環(huán)界》（《午夜兇鈴》原著）中，允許用戶通過VR頭盔和數(shù)據(jù)手套接入并以指定人物的視角體驗(yàn)其人生的虛擬世界“環(huán)”，以包含128萬臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)的超算集群作為算力底座。

英特爾公司高級(jí)副總裁兼加速計(jì)算系統(tǒng)和圖形事業(yè)部總經(jīng)理Raja Koduri相信，要如實(shí)復(fù)現(xiàn)《雪崩》中的元宇宙體驗(yàn)，現(xiàn)有芯片的計(jì)算性能要實(shí)現(xiàn)1000倍的增長。“我們必須在相同甚至更低的能耗下實(shí)現(xiàn) 1000 倍的算力增長。按照摩爾定律的增長曲線，未來5年我們能實(shí)現(xiàn)大約 8-10倍的增長。因此算法、架構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，都要在提高計(jì)算效率方面發(fā)揮作用。” Raja Koduri表示。

對(duì)于Raja Koduri提出的目標(biāo)，英特爾相關(guān)負(fù)責(zé)人向《中國電子報(bào)》記者表示，這是一個(gè)從E級(jí)計(jì)算走向Z級(jí)計(jì)算的過程。

“從2022年的ExaFLOPS（每秒1018次浮點(diǎn)運(yùn)算）到2028年之前實(shí)現(xiàn)ZettaFLOPS（每秒1021次浮點(diǎn)運(yùn)算）——即讓現(xiàn)有性能提升約1000倍。這條發(fā)展路徑將實(shí)現(xiàn)架構(gòu)、功率和散熱、數(shù)據(jù)傳輸以及制程工藝等領(lǐng)域的全面提升。”該負(fù)責(zé)人指出。

具體來看，英特爾在算力提升和算力基礎(chǔ)打造方面有三個(gè)重點(diǎn)。一是提供更多晶體管的核心微縮技術(shù)；二是在功率器件和內(nèi)存增益領(lǐng)域提升半導(dǎo)體性能；三是探索物理學(xué)新概念，以重新定義計(jì)算。“我們概述了未來技術(shù)發(fā)展方向，即通過混合鍵合將在封裝中的互連密度提升10倍以上，晶體管微縮面積提升30%至50%，在全新的功率器件和內(nèi)存技術(shù)上取得重大突破，基于物理學(xué)新概念所衍生的新技術(shù)，在未來可能會(huì)重新定義計(jì)算。”英特爾相關(guān)負(fù)責(zé)人表示。

Meta英偉達(dá)將造全球最快 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī)

2021年12月，百度在元宇宙平臺(tái)“希壤”召開百度AI開發(fā)者大會(huì)?；跀?shù)據(jù)傳輸算法調(diào)優(yōu)、本地渲染引擎調(diào)優(yōu)和聲學(xué)特性建模，百度打造了容納10萬人的元宇宙超級(jí)會(huì)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了10萬人級(jí)的同屏互動(dòng)、相互可見，用戶還能聽到實(shí)時(shí)背景音和空間音效。

今年1月，Meta宣布設(shè)計(jì)并打造了當(dāng)今運(yùn)行速度最快的 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī)（以下簡稱RSC）之一，到2022 年中期建成后，它將成為世界上運(yùn)行速度最快的 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī)。

RSC將幫助 Meta 的 AI 研究人員構(gòu)建從數(shù)萬億個(gè)示例中學(xué)習(xí)的AI 模型，跨數(shù)百種語言工作，無縫分析文本、圖像和視頻，開發(fā)新的AR工具等。Meta希望RSC能助力構(gòu)建全新的 AI系統(tǒng)。例如，為一大群使用不同語言的人員提供實(shí)時(shí)語音翻譯，讓他們可以無縫協(xié)作或一起玩 AR 游戲，最終為構(gòu)建元宇宙鋪平技術(shù)道路。

目前，這款A(yù)I超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)部署了760個(gè)英偉達(dá)DGX A100系統(tǒng)作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，共有6080個(gè)英偉達(dá)A100 GPU。在今年晚些時(shí)候的第二階段，RSC將擴(kuò)展至16000個(gè)GPU，提供高達(dá)500億億次級(jí)混合精度AI計(jì)算性能。

據(jù)了解，Meta與英偉達(dá)聯(lián)合打造的大型AI研究超級(jí)計(jì)算機(jī)是迄今為止最大的英偉達(dá)DGX A100系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)GPU集群的系統(tǒng)優(yōu)化，可以訓(xùn)練包含超過1萬億個(gè)參數(shù)的AI模型，承擔(dān)實(shí)時(shí)識(shí)別不法內(nèi)容等工作。

要實(shí)現(xiàn)元宇宙級(jí)別的高度模擬和模型創(chuàng)建，AI是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。AI模型的識(shí)別和處理能力，能夠進(jìn)行精細(xì)復(fù)雜的圖像處理，讓創(chuàng)作者更有效率地生產(chǎn)內(nèi)容。AI的算法調(diào)優(yōu)能力，能提升視覺、聽覺和交互體驗(yàn)。同時(shí)，具有自監(jiān)督學(xué)習(xí)能力的AI，能夠通過大量文本訓(xùn)練識(shí)別有害信息，守護(hù)元宇宙的安全。

“無論是無人駕駛中對(duì)物體的視覺識(shí)別，還是自然語言處理，或者是Omniverse（英偉達(dá)的3D仿真模擬和協(xié)作平臺(tái)）中通過AI來驅(qū)動(dòng)面部表情，其背后都利用了AI技術(shù)，AI技術(shù)使創(chuàng)作者能夠脫離大量重復(fù)性工作，更好地參與虛擬世界以及元宇宙的構(gòu)建。”沈威向記者表示。

平臺(tái)級(jí)芯片將是元宇宙的終極戰(zhàn)場(chǎng)？

無論要進(jìn)入《雪崩》的元宇宙、科幻電影《頭號(hào)玩家》的虛擬游戲世界“綠洲”、《環(huán)界》的人工生命計(jì)劃“環(huán)”、《三體》（劉慈欣創(chuàng)作的科幻小說）中模擬地外文明的游戲“三體”，一副以“頭套型屏幕”“電腦目鏡”“顯示頭盔”等各種名目出現(xiàn)的VR頭盔都是不可或缺的入場(chǎng)券。

高通技術(shù)公司XR業(yè)務(wù)中國區(qū)負(fù)責(zé)人郭鵬在接受《中國電子報(bào)》專訪時(shí)表示，不論元宇宙會(huì)發(fā)展成何種形態(tài)，人們都會(huì)需要終端來把物理空間和數(shù)字空間連接在一起，并把大家?guī)氲教摂M現(xiàn)實(shí)中。

“元宇宙是一個(gè)永遠(yuǎn)存在的‘空間互聯(lián)網(wǎng)’，能夠連接真實(shí)世界和虛擬世界并打造個(gè)性化的數(shù)字體驗(yàn)，讓人和萬物都能夠在其中無縫地溝通和交互。人們將通過智能手機(jī)、PC、AR/VR終端等計(jì)算終端，進(jìn)入全方位反映現(xiàn)實(shí)生活的元宇宙。在元宇宙中，大量用戶和企業(yè)能夠以2D和3D形式探索、創(chuàng)建并參與各種各樣的日常體驗(yàn)和社區(qū)及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。”郭鵬指出。

在很長一段時(shí)間里，XR（VR/AR/MR）終端都使用手機(jī)SoC作為主力處理器。隨著XR設(shè)備的規(guī)格持續(xù)優(yōu)化，對(duì)于視野、分辨率、刷新率、用戶感知、環(huán)境感知、定位技術(shù)的需求也不斷提升，更符合XR性能和功耗需求的專用處理器被提上日程。

2018年5月，高通推出驍龍XR1平臺(tái)，該平臺(tái)是全球首款XR專用平臺(tái)。2019年12月，高通公司推出全球首個(gè)5G XR平臺(tái)——驍龍XR2平臺(tái)。驍龍XR2支持5G連接、雙眼每只眼睛90fps3Kx3K的分辨率以及七路并行攝像頭，且具備計(jì)算機(jī)視覺專用處理器。目前，已有超過50款搭載驍龍平臺(tái)的VR和AR終端發(fā)布。2020年5月，海思發(fā)布XR芯片平臺(tái)，推出首款可支持8K解碼能力，集成GPU、NPU的XR芯片，支持單眼42.7PDD（每度像素?cái)?shù)）。

在芯片平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建元宇宙體驗(yàn)還需要渲染引擎、內(nèi)容生態(tài)提供商、互聯(lián)網(wǎng)公司、社交和娛樂企業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同作戰(zhàn)。郭鵬表示，高通是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中底層技術(shù)的提供商，主要從四個(gè)層面支撐元宇宙的構(gòu)建和發(fā)展。首先是為廠商提供能夠解決XR設(shè)備技術(shù)難題的專用芯片平臺(tái)；其次，打造基于XR專用平臺(tái)的參考設(shè)計(jì)，助力合作伙伴加快終端的規(guī)?；逃?；其三，針對(duì)XR領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)，提供軟件、空間計(jì)算算法和架構(gòu)；最后，發(fā)起一系列硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)計(jì)劃，減輕合作伙伴在產(chǎn)品商用化過程中的負(fù)擔(dān)。

構(gòu)建芯片性能之后，如何有效交付，以“黑盒”的方式讓軟件開發(fā)者、程序員和創(chuàng)作者便捷使用，是不遜于芯片制造本身的頭等大事。為此，英特爾、英偉達(dá)、高通都面向元宇宙打造了豐富的芯片平臺(tái)，讓開發(fā)者更高效地調(diào)用芯片性能。

在英特爾的技術(shù)構(gòu)想中，賦能元宇宙的技術(shù)基石可概括為三個(gè)層次。一是元智能層，旨在提供統(tǒng)一的編程模型以及開放的軟件開發(fā)工具和軟件開發(fā)庫，以便開發(fā)者能夠更輕松地部署復(fù)雜的應(yīng)用程序。二是元操作層，聚焦于向用戶交付超越本地的可用算力。三是元計(jì)算層，為實(shí)現(xiàn)元宇宙體驗(yàn)提供其所需的原始動(dòng)力。

目前，英特爾已經(jīng)在計(jì)算層面形成了XPU異構(gòu)計(jì)算戰(zhàn)略，包括CPU、GPU、FPGA、AI芯片和其他加速器，將工作負(fù)載與適合的架構(gòu)匹配，以滿足全社會(huì)對(duì)于算力日益增長的需求。在異構(gòu)平臺(tái)上，硬件性能需要軟件來加以釋放，英特爾基于oneAPI為開發(fā)者提供了開放、基于標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境，打破了封閉式編程模型的限制，并支持多種平臺(tái)和架構(gòu)的編程需要。

英偉達(dá)定義為“工程師的元宇宙”平臺(tái)Omniverse，將實(shí)時(shí)光線追蹤等圖形能力、AI和計(jì)算（CUDA）三大要素打包交付。沈威表示，Omniverse 已成為構(gòu)建元宇宙或虛擬世界的技術(shù)解決方案，將助力形成一套以O(shè)mniverse為平臺(tái)，并擁有強(qiáng)勁算力支撐和先進(jìn)硬件基礎(chǔ)的元宇宙體系。“在借助Omniverse構(gòu)建的未來世界中，所有部分都將由AI計(jì)算系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行處理，該系統(tǒng)能夠處理它所需要的信息，例如視覺信息、傳感器信息、物理信息和自動(dòng)化智能。”沈威說。

而高通也在為元宇宙所需的空間計(jì)算提供兩個(gè)層面的芯片和軟件算法，第一個(gè)層面是“我在哪里，我在干什么”，也就是用戶頭部自由度定位、手柄定位以及手勢(shì)、眼球、表情和腿的定位等身體感知的基礎(chǔ)技術(shù)。第二個(gè)層面是空間定位，即對(duì)環(huán)境的感知?；谏鲜黾夹g(shù)支撐，高通能更高效地支持開發(fā)者把虛擬物體放在現(xiàn)實(shí)世界中，與現(xiàn)實(shí)世界融合。2021年11月，高通還推出了頭戴式AR開發(fā)套件驍龍Spaces XR開發(fā)者平臺(tái)，為開發(fā)者提供實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的工具，使頭戴式AR實(shí)現(xiàn)更多可能。

作者丨張心怡

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞