CPU/GPU/TPU/NPU解释

Author:skatexg

Time:2022/03/06

一、CPU

CPU的结构主要包括运算器（ALU, Arithmetic and Logic Unit）、控制单元（CU, Control Unit）、寄存器（Register）、高速缓存器（Cache）和它们之间通讯的数据、控制及状态的总线。

简单来说就是：计算单元、控制单元和存储单元，架构如下图所示：

从字面上我们也很好理解，计算单元主要执行算术运算、移位等操作以及地址运算和转换；存储单元主要用于保存运算中产生的数据以及指令等；控制单元则对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

所以一条指令在CPU中执行的过程是这样的：读取到指令后，通过指令总线送到控制器（黄色区域）中进行译码，并发出相应的操作控制信号；然后运算器（绿色区域）按照操作指令对数据进行计算，并通过数据总线将得到的数据存入数据缓存器（大块橙色区域）

因为CPU的架构中需要大量的空间去放置存储单元（橙色部分）和控制单元（黄色部分），相比之下计算单元（绿色部分）只占据了很小的一部分，所以它在大规模并行计算能力上极受限制，而更擅长于逻辑控制。

另外，因为遵循冯诺依曼架构（存储程序，顺序执行），CPU就像是个一板一眼的管家，人们吩咐的事情它总是一步一步来做。但是随着人们对更大规模与更快处理速度的需求的增加，这位管家渐渐变得有些力不从心。

于是，大家就想，能不能把多个处理器放在同一块芯片上，让它们一起来做事，这样效率不就提高了吗？没错，GPU便由此诞生了。

二、GPU

在正式讲解GPU之前，我们先来讲讲上文中提到的一个概念——并行计算。

并行计算(Parallel Computing)是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。它的基本思想是用多个处理器来共同求解同一问题，即将被求解的问题分解成若干个部分，各部分均由一个独立的处理机来并行计算。

并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。

时间上的并行是指流水线技术，比如说工厂生产食品的时候分为四步：清洗-消毒-切割-包装。如果不采用流水线，一个食品完成上述四个步骤后，下一个食品才进行处理，耗时且影响效率。但是采用流水线技术，就可以同时处理四个食品。这就是并行算法中的时间并行，在同一时间启动两个或两个以上的操作，大大提高计算性能。

空间上的并行是指多个处理机并发的执行计算，即通过网络将两个以上的处理机连接起来，达到同时计算同一个任务的不同部分，或者单个处理机无法解决的大型问题。

比如小李准备在植树节种三棵树，如果小李1个人需要6个小时才能完成任务，植树节当天他叫来了好朋友小红、小王，三个人同时开始挖坑植树，2个小时后每个人都完成了一颗植树任务，这就是并行算法中的空间并行，将一个大任务分割成多个相同的子任务，来加快问题解决速度。

所以说，如果让CPU来执行这个种树任务的话，它就会一棵一棵的种，花上6个小时的时间，但是让GPU来种树，就相当于好几个人同时在种。

GPU全称为Graphics Processing Unit，中文为图形处理器，就如它的名字一样，GPU最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上运行绘图运算工作的微处理器。

为什么GPU特别擅长处理图像数据呢？这是因为图像上的每一个像素点都有被处理的需要，而且每个像素点处理的过程和方式都十分相似，也就成了GPU的天然温床。GPU简单架构如下图所示：

从架构图我们就能很明显的看出，GPU的构成相对简单，有数量众多的计算单元和超长的流水线，特别适合处理大量的类型统一的数据。

但GPU无法单独工作，必须由CPU进行控制调用才能工作。CPU可单独作用，处理复杂的逻辑运算和不同的数据类型，但当需要大量的处理类型统一的数据时，则可调用GPU进行并行计算。

注：GPU中有很多的运算器ALU和很少的缓存cache，缓存的目的不是保存后面需要访问的数据的，这点和CPU不同，而是为线程thread提高服务的。如果有很多线程需要访问同一个相同的数据，缓存会合并这些访问，然后再去访问dram。

再把CPU和GPU两者放在一张图上看下对比，就非常一目了然了。

GPU的工作大部分都计算量大，但没什么技术含量，而且要重复很多很多次。

借用知乎上某大神的说法，就像你有个工作需要计算几亿次一百以内加减乘除一样，最好的办法就是雇上几十个小学生一起算，一人算一部分，反正这些计算也没什么技术含量，纯粹体力活而已；而CPU就像老教授，积分微分都会算，就是工资高，一个老教授资顶二十个小学生，你要是富士康你雇哪个？

GPU就是用很多简单的计算单元去完成大量的计算任务，纯粹的人海战术。这种策略基于一个前提，就是小学生A和小学生B的工作没有什么依赖性，是互相独立的。

但有一点需要强调，虽然GPU是为了图像处理而生的，但是我们通过前面的介绍可以发现，它在结构上并没有专门为图像服务的部件，只是对CPU的结构进行了优化与调整，所以现在GPU不仅可以在图像处理领域大显身手，它还被用来科学计算、密码破解、数值分析，海量数据处理（排序，Map-Reduce等），金融分析等需要大规模并行计算的领域。

所以GPU也可以认为是一种较通用的芯片。

三、TPU

CPU和GPU都是较为通用的芯片，但是有句老话说得好：万能工具的效率永远比不上专用工具。

随着人们的计算需求越来越专业化，人们希望有芯片可以更加符合自己的专业需求，这时，便产生了ASIC（专用集成电路）的概念。

ASIC是指依产品需求不同而定制化的特殊规格集成电路，由特定使用者要求和特定电子系统的需要而设计、制造。当然这概念不用记，简单来说就是定制化芯片。

因为ASIC很“专一”，只做一件事，所以它就会比CPU、GPU等能做很多件事的芯片在某件事上做的更好，实现更高的处理速度和更低的能耗。但相应的，ASIC的生产成本也非常高。

而TPU（Tensor Processing Unit, 张量处理器）就是谷歌专门为加速深层神经网络运算能力而研发的一款芯片，其实也是一款ASIC。

一般公司是很难承担为深度学习开发专门ASIC芯片的成本和风险的，但谷歌是谁，人家会差钱吗？

咳咳，开玩笑。更重要的原因是谷歌提供的很多服务，包括谷歌图像搜索、谷歌照片、谷歌云视觉API、谷歌翻译等产品和服务都需要用到深度神经网络。基于谷歌自身庞大的体量，开发一种专门的芯片开始具备规模化应用（大量分摊研发成本）的可能。

如此看来，TPU登上历史舞台也顺理成章了。

原来很多的机器学习以及图像处理算法大部分都跑在GPU与FPGA（半定制化芯片）上面，但这两种芯片都还是一种通用性芯片，所以在效能与功耗上还是不能更紧密的适配机器学习算法，而且Google一直坚信伟大的软件将在伟大的硬件的帮助下更加大放异彩，所以Google便想，我们可不可以做出一款专用于机器学习算法的专用芯片，TPU便诞生了。

据称，TPU与同期的CPU和GPU相比，可以提供15-30倍的性能提升，以及30-80倍的效率（性能/瓦特）提升。初代的TPU只能做推理，要依靠Google云来实时收集数据并产生结果，而训练过程还需要额外的资源；而第二代TPU既可以用于训练神经网络，又可以用于推理。

看到这里你可能会问了，为什么TPU会在性能上这么牛逼呢？嗯，谷歌写了好几篇论文和博文来说明这一原因，所以仅在这里抛砖引玉一下。

如上图所示，TPU在芯片上使用了高达24MB的局部内存，6MB的累加器内存以及用于与主控处理器进行对接的内存，总共占芯片面积的37%（图中蓝色部分）。

这表示谷歌充分意识到了片外内存访问是GPU能效比低的罪魁祸首，因此不惜成本的在芯片上放了巨大的内存。相比之下，英伟达同时期的K80只有8MB的片上内存，因此需要不断地去访问片外DRAM。

另外，TPU的高性能还来源于对于低运算精度的容忍。研究结果表明，低精度运算带来的算法准确率损失很小，但是在硬件实现上却可以带来巨大的便利，包括功耗更低、速度更快、占芯片面积更小的运算单元、更小的内存带宽需求等...TPU采用了8比特的低精度运算。

到目前为止，TPU其实已经干了很多事情了，例如机器学习人工智能系统RankBrain，它是用来帮助Google处理搜索结果并为用户提供更加相关搜索结果的；还有街景Street View，用来提高地图与导航的准确性的；当然还有下围棋的计算机程序AlphaGo！

四、NPU

所谓NPU（Neural network Processing Unit）， 即神经网络处理器。顾名思义，这家伙是想用电路模拟人类的神经元和突触结构啊！

怎么模仿？那就得先来看看人类的神经结构——生物的神经网络由若干人工神经元结点互联而成，神经元之间通过突触两两连接，突间的联系。

触记录了神经元之

同志们，高中生物还记得吗？

如果想用电路模仿人类的神经元，就得把每个神经元抽象为一个激励函数，该函数的输入由与其相连的神经元的输出以及连接神经元的突触共同决定。

为了表达特定的知识，使用者通常需要（通过某些特定的算法）调整人工神经网络中突触的取值、网络的拓扑结构等。该过程称为“学习”。

在学习之后，人工神经网络可通过习得的知识来解决特定的问题。

这时不知道大家有没有发现问题——原来，由于深度学习的基本操作是神经元和突触的处理，而传统的处理器指令集（包括x86和ARM等）是为了进行通用计算发展起来的，其基本操作为算术操作（加减乘除）和逻辑操作（与或非），往往需要数百甚至上千条指令才能完成一个神经元的处理，深度学习的处理效率不高。

这时就必须另辟蹊径——突破经典的冯·诺伊曼结构！

神经网络中存储和处理是一体化的，都是通过突触权重来体现。 而冯·诺伊曼结构中，存储和处理是分离的，分别由存储器和运算器来实现，二者之间存在巨大的差异。当用现有的基于冯·诺伊曼结构的经典计算机（如X86处理器和英伟达GPU）来跑神经网络应用时，就不可避免地受到存储和处理分离式结构的制约，因而影响效率。这也就是专门针对人工智能的专业芯片能够对传统芯片有一定先天优势的原因之一。

NPU的典型代表有国内的寒武纪芯片和IBM的TrueNorth。以中国的寒武纪为例，DianNaoYu指令直接面对大规模神经元和突触的处理，一条指令即可完成一组神经元的处理，并对神经元和突触数据在芯片上的传输提供了一系列专门的支持。

用数字来说话，CPU、GPU与NPU相比，会有百倍以上的性能或能耗比差距——以寒武纪团队过去和Inria联合发表的DianNao论文为例——DianNao为单核处理器，主频为0.98GHz，峰值性能达每秒4520亿次神经网络基本运算，65nm工艺下功耗为0.485W，面积3.02平方毫米mm。

五、其他XPU

BPU（Brain Processing Unit，大脑处理器）是由地平线科技提出的嵌入式人工智能处理器架构。第一代是高斯架构，第二代是伯努利架构，第三代是贝叶斯架构。目前地平线已经设计出了第一代高斯架构，并与英特尔在2017年CES展会上联合推出了ADAS系统（高级驾驶辅助系统）。

DPU（Deep learning Processing Unit, 即深度学习处理器）最早由国内深鉴科技提出，基于Xilinx可重构特性的FPGA芯片，设计专用的深度学习处理单元（可基于已有的逻辑单元，设计并行高效的乘法器及逻辑电路，属于IP范畴），且抽象出定制化的指令集和编译器（而非使用OpenCL），从而实现快速的开发与产品迭代。事实上，深鉴提出的DPU属于半定制化的FPGA。

你以为到这里就完了吗？不，据说每过18天，集成电路领域就会多出一个XPU，直到26个字母被用完。这被戏称为AI时代的XPU版摩尔定律。