讲古论今——一条NV芯片发展路 半部计算机发展史

3月份的NVIDIA GTC上,NVIDIA推出了新一代芯片架构,它选用的代号是“Blackwell”。与前辈一样,这同样是对于计算机发展有着重要贡献的科学家之名,而作为一款更重视AI(人工智能)计算能力的芯片,其选择的科学家也是推动了AI发展的人物,非裔美国数学家David Blackwell(大卫·布莱克威尔)。

具体来说,Blackwell对AI技术发展的贡献主要在两个方面,首先是统计学方面的Rao-Blackwell 定理。它可以通过充分的数据条件分析来进行精确估计,从名称就可以看出,这一定理大数据分析和相关的AI模型有着重要意义。另一方面,Blackwell在博弈论的贡献,是AI对抗训练以及决策、算法等方面的重要基础之一。顺便说一下,据说他对博弈论的兴趣是缘于工作中结识了约翰·冯·诺伊曼,没错,约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)除了被大家认为是“计算机之父”,也是现代“博弈论之父”,感觉世界线收束了有没有。

约翰·冯·诺伊曼肯定也是NVIDIA未来芯片代号的重要候选之一

那么,在Blackwell之前的NVIDIA芯片核心/架构代号中,涉及了哪些名人,为啥要说它展现了半部计算机发展史呢?下面让我们从最近的RTX 40系列显卡,也就是代号为Ada Lovelace的GPU核心/架构说起吧。

Ada Lovelace,即阿达·洛芙莱斯,又译为阿达·勒芙蕾丝,被认为是世界上第一个程序员,曾为其朋友查尔斯·巴贝其(Charles Babbage)发明的分析机编写算法。后世认为这台分析机可以看作是当代计算机的雏形,阿达·洛芙莱斯的算法当然也就被认为是最早的程序和软件了。

顺便说一下,阿达·洛芙莱斯的父亲是英国浪漫主义诗人乔治·戈登·拜伦(George Gordon Byron),代表作品有《恰尔德·哈罗德游记》、《唐璜》等,应该也是大家耳熟能详的人物吧。

然后是RTX 30系列的芯片核心代号Ampere,显然是致敬电学鼻祖之一的安培。他是法国科学家,全名André-Marie Ampère(安德烈·玛丽·安培),首先推导出了电动力学的基本公式,建立了电动力学的基本理论,而且电流强度的单位也以他命名的。他的成就显然是当代计算机、3D图形、AI最最基本的基础啦。

RTX 20系列代号为Turing,是向现代计算机的开创者,英国科学家艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)致敬。在二战期间,他参与制造了第一台电力计算机(注意还不能叫电子计算机)用于破解德军密码,其后又参与了曼彻斯特自动数字计算机的建造,并且提出了图灵机的现代计算机思想模型,以及“图灵测试”这一人工智能判定的概念。对其生平感兴趣的小伙伴,可以去找一找2014年的电影《模仿游戏》来看一看。

GTX 1000系列,特别是GTX 1060是曾经陪伴很多玩家小伙伴的一代“神卡”,其核心代号为Pascal,致敬法国数学家、物理学家布莱士·帕斯卡(Blaise Pascal)。除了比较为人熟知的是对气压、水压的研究,以及被作为压强单位外,其实他在几何学、数学等方面的贡献也很大,帕斯卡六边形定理、《圆锥曲线论》《算术三角形》等研究和著作对后世的微积分学创立都有巨大贡献,当然也是3D图形计算的基础。他甚至还曾设计制造了一台能自动进位的加减法计算装置,被认为是世界上第一台数字计算器。

Maxwell架构从GTX 700系列延续到了GTX 900系列GPU,致敬英国物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的。他是经典电动力学、统计物理学的奠基人,他预言了电磁波、提出了电磁场理论哥麦克斯韦方程组(很多学生小伙伴的噩梦)、引入了统计力学概念、创立了卡文迪什实验室,还是气动理论创始人。其多种理论是现代电子学、芯片制造等方面的基石。

GTX 600系列采用kepler架构,致敬天文学家、数学家,以及……占星家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)。他发现了行星运动三大定律,同时也对相关的光学、数学做出了重要贡献,是现代试验光学的奠基人。可以说牛顿的一些著名发现都是在他的基础上做出的,当然作为开创现代光学、数学的科学家,它同样为现代数字计算、芯片制造技术等方面打下了基础。

GTX 400/500系列都以费米(Fermi)作为核心架构代号,是致敬意大利裔美国物理学家恩利克·费米(Enrico Fermi)的产品。他的主要贡献在量子物理、粒子物理和高能物理方面,促成了核弹的开发和原子能的利用,加上GTX 480/580在当时看来“恐怖”的发热量,使这两代旗舰级显卡常被N粉和N黑戏称为核弹。费米的研究主要在核物理、量子物理等方面,对当代芯片没有特别直接的贡献,但对量子物理,特别是量子统计力学的重要贡献,对正在快速发展的量子计算有着重要的意义。

GTX 260的核心架构代号为Tesla,致敬塞尔维亚裔美籍科学家、发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。他的发明和研究非常多,X光摄影技术、无线电通信、传真机、真空管、霓虹灯管、导弹导航技术、交流电等都是他发明或提出理论的。这些技术对计算机技术、芯片设计制造、3D图形处理,乃至现代生活方面的意义都是非常巨大的。不过比较遗憾的是,在消费级3D芯片市场上,首次使用通用芯片的设计并不成功,不仅GTX 200型号很少,受到了不少非议,还不得不取消了很可能使用同一架构的GTX 300系列。

顺便说一下,为啥NVIDIA的GPU架构代号会从GeForce时期的NVxx、Gxx转向GeForce GTX/RTX时期的科学家名呢?这是因为在DX10走向统一渲染架构后,3D芯片可以使用通用芯片的形态,而科学家名,就是NVIDIA为此类“通用”芯片构架使用的新代号系统。其中甚至还有一些特殊的例子,也就是并未走向消费级3D图形芯片的架构,也同样采用了对科学家致意的代号。

Tesla核心架构也同样被用作AI、高性能计算芯片上

比如Volta是2018年推出的专业处理芯片架构,致敬意大利物理学家亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·安纳塔西欧·伏特(Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta),这又是一个小伙伴们耳熟能详的科学家,他对电学进行了最初始的研究,比如发现了电势、电导体、如何产生电流等,并且发明伏打电堆,也就是电池的雏形。至于贡献,不要说计算机和芯片了,所有涉及电力的现代技术都离不开他的研究和成果。

2022年,NVIDIA在专业计算领域推出了两款,或者说是一套非常有意思的产品,即Grace处理器架构和Hopper GPU架构。它们可以组合成一个GPU-CPU超级芯片(Superchip),名称就是Grace Hopper。

左侧应为带显存的Hopper GPU,右侧为Grace处理器

不管是拆分还是合体,代号Grace,Hopper实际上是向同一个人致敬,即被誉为计算机软件工程第一夫人的杰出计算机科学家,同时也是美国海军少将的格蕾丝·赫柏(Grace Murray Hopper)。她参与了第一台大型电子计算机和第一个商用高级语言COBOL的开发,而且据说她在维修计算机时,首次发现了因为虫子进入机体内而产生的故障,因而出现了“Bug”——计算机软硬件问题,以及“抓Bug”——修复计算机这两个词。

下一代NVIDIA芯片,或者在Blackwell不进入消费级3D图形市场的话,下一代3D显卡芯片的代号会是什么呢?候选人真的非常多,前面已经提到的约翰·冯·诺伊曼、查尔斯·巴贝其等当然是不错的人选,此外仅仅在数学、物理学等领域的古代科学家就有牛顿、高斯、莱布尼茨、黎曼、欧拉、伽利略、哥白尼、祖冲之等等,还有半导体、图形处理、AI发展史上的诸多近现代科学家。到底谁会走入NVIDIA的视野,谁又会是未来芯片致敬的对象呢?让我们拭目以待吧,有兴趣的小伙伴不妨留言来猜一猜,猜对的奖品嘛……回头再说吧。