GPU作為一種協(xié)處理器，傳統(tǒng)用途主要是處理圖像類并行計算任務(wù)；計算機系統(tǒng)面對的計算任務(wù)有著復(fù)雜而不同的性能要求，當 CPU 無法滿足特定處理任務(wù)時，則需要一個針對性的協(xié)處理器輔助計算。GPU 就是針對圖像計算高并行度，高吞吐量，容忍高延遲而定制的并行處理器。

本文選自“從軟件算法生態(tài)看GPU發(fā)展與局限”，介紹GPU原理、GPU場景等，具體內(nèi)容如下：

第一章、GPU 簡介1.1、GPU是什么？ 1.2、為什么需要GPU等協(xié)處理器？ 1.3、GPU還能干什么？ 1.4、GPU不適合干什么？ 1.5、GPU總體市場現(xiàn)狀第二章、GPU 未來面臨挑戰(zhàn)應(yīng)用場景解析2.1 谷歌披露實用的全新人工智能專用協(xié)處理器：TPU 2.2 TPU 主要思路：針對人工智能算法需求裁剪計算精度 2.3 從谷歌 TPU 設(shè)計思路看人工智能硬件發(fā)展趨勢 2.4 GPU/FPGA 用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的弱點：片上網(wǎng)絡(luò)第三章、GPU 未來較適應(yīng)場景解析3.1 VR應(yīng)用：持續(xù)增長的優(yōu)勢領(lǐng)域 3.2 云計算/大數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.3 GPU，云和游戲服務(wù)結(jié)合

第一章、GPU簡介

GPU其原始設(shè)計針對圖像計算的特性進行優(yōu)化，因此也能兼職一些與圖像計算特性接近的大規(guī)模并行標準浮點數(shù)計算任務(wù)，如科學(xué)計算與數(shù)值模擬。但大規(guī)模并行計算并非一個籠統(tǒng)的概念，而是一個可以按照計算性能需求在6個維度上進行細分的大類別。因此GPU絕非解決大規(guī)模并行計算問題的萬金油，無法很好的支持與圖形計算特性相差較大的并行計算任務(wù)。

1.1、GPU 是什么？

GPU其他名稱有顯示核心、視覺處理器、顯示芯片。顧名思義，GPU最主要的應(yīng)用場景就是處理圖像顯示計算。計算機圖像顯示流程見圖，在這個過程中CPU決定了顯示內(nèi)容，而GPU則決定了顯示的質(zhì)量如何。像GPU這類輔助CPU完成特定功能芯片統(tǒng)稱“協(xié)處理器”，“協(xié)”字表明了GPU在計算機體系中處于從屬地位。

GPU芯片可根據(jù)與CPU的關(guān)系分為獨立GPU和集成GPU。獨立GPU通常圖形處理能力更高一些，但也有成本更高，功耗和發(fā)熱較大等問題。近年集成式GPU流行于移動計算平臺如筆記本和智能手機。例如高通的智能手機芯片通常將CPU和一個功能較弱的GPU以及其他協(xié)處理器通過SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）技術(shù)組合在一起。集成GPU圖形計算性能相對獨立GPU較弱但功耗/成本均針對了移動計算平臺的需求做了優(yōu)化，將長期占據(jù)移動計算市場。

1.2、為什么需要 GPU 等協(xié)處理器？

在計算機系統(tǒng)中，之所以出現(xiàn)GPU等協(xié)處理器，歸根到底在于沒有一種芯片設(shè)計方案能夠滿足所有不同類別計算任務(wù)所需求的全部性能指標：

計算精度；

計算并行度；

計算延遲；

計算吞吐量；

并行進程之間的交互復(fù)雜度；

計算實時性要求；

魚和熊掌不可兼得；在設(shè)計計算機芯片中，以上六個指標不可能在有限的資源約束下同時滿足。圖的雷達圖比較了CPU的設(shè)計偏向（藍線）以及圖形計算的要求（紅線），越靠近外圈則表示要求高/性能好，如計算延遲低、計算吞吐量大。

我們可以發(fā)現(xiàn)CPU設(shè)計的一部分偏好，如并行進程交互能力強，低計算延遲是圖形計算所不需要的；但圖形計算要求的高計算并行度，高計算吞吐量是CPU所不能提供的。將CPU應(yīng)用在圖形處理中會造成一部分性能被浪費，而另一些性能CPU無法滿足要求（雷達圖上紅線和藍線的顯著差異）；這提供了GPU這種針對圖形技術(shù)優(yōu)化芯片性能指標的協(xié)處理器的生存空間。 在廣義計算系統(tǒng)體系中，其他類別的協(xié)處理器，如DSP，F(xiàn)PGA，BP等協(xié)處理器之所以獨立存在，均因為其所處理的特定計算任務(wù)在計算指標雷達圖中與CPU以及其他協(xié)處理器差異過大。一個協(xié)處理器產(chǎn)業(yè)是否有足夠的市場空間主要取決于其針對的計算任務(wù)在性能雷達圖中是否獨特（否則會被CPU等“兼職”），以及這種計算任務(wù)是否有足夠大市場需求。

1.3、GPU 還能干什么？

GPU生產(chǎn)廠商針對圖形處理的性能要求將資源分配強化兩個特定指標：計算并行度和計算吞吐量。除了圖形計算以外，還有一些計算任務(wù)的性能雷達圖落在GPU的性能范圍內(nèi)或相差不甚太遠（見圖），比如數(shù)值仿真模擬、金融類計算、搜索引擎、數(shù)據(jù)挖掘等。

正因看中拓展GPU在特殊計算任務(wù)的應(yīng)用前景，主流的GPU廠商紛紛推出軟硬件結(jié)合的并行編程解決方案。例如Nvidia推出閉源的CUDA并行計算平臺，而AMD推出了基于開放性O(shè)penCL標準的Stream技術(shù)。這類技術(shù)在軟件上提供一個定制的編譯器，將計算任務(wù)盡可能分解成可獨立并行執(zhí)行的小組件（術(shù)語為“線程”）；在硬件上對GPU進行小幅度修改，少量提高其在延遲/并行交互等傳統(tǒng)弱項的性能。 雖然GPU的并行計算能力與金融數(shù)據(jù)處理需求存在一定匹配（圖4中紅線和藍線相近），但金融核心賬本計算中需要遠超過一般計算平臺的精度。GPU內(nèi)部搭載的2進制計算單元無法保障賬本分毫不差；金融業(yè)的核心賬本計算業(yè)務(wù)長期依賴搭載10進制計算單元的IBM Power系列高端處理器。如果改造GPU使其搭載10進制硬件計算單元，則其又無法適應(yīng)圖形計算的需求。這個案例充分說明：并非所有并行計算任務(wù)就一定適合GPU計算，而需要根據(jù)實際情況區(qū)分。

1.4、GPU 不適合干什么？

GPU屬于大規(guī)模并行計算芯片的一個子類；但其并不能解決所有的大規(guī)模并行計算任務(wù)。大規(guī)模并行計算芯片可粗略劃分為兩大組成部分：

1）并行計算單元，數(shù)目從數(shù)個至數(shù)千個不等，完成“線程”計算；

2）NoC(Network on Chip，片上通訊網(wǎng)絡(luò))，負責(zé)在計算單元之間傳遞數(shù)據(jù)； 針對不同的計算需求場景，大規(guī)模并行計算芯片的設(shè)計思路大體有兩個方向： 1）處理單元優(yōu)化：包括增減處理器單元數(shù)量或改變處理器單元內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等； 2）NoC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：更改網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)路由算法、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制機制等； 這兩個方向上的優(yōu)化需要分享芯片上有限的資源；強化一個方向的性能/增加某個方向的資源分配往往就意味著需要犧牲另一個方向的性能。 多核CPU、GPU、FPGA是常見的并行計算架構(gòu)，它們的資源分配傾向示意圖見圖。

GPU將主要資源分配給了圖形常用計算單元，如浮點數(shù)的乘法和加法，而采用了最簡單的片上網(wǎng)絡(luò)拓撲：樹狀NoC網(wǎng)絡(luò)，在基本計算單元之間傳遞數(shù)據(jù)，見圖； 這種片上網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點分別是：

優(yōu)點1：消耗的資源最小；

缺點1：通過讀寫片上存儲的方式傳遞數(shù)據(jù)，速度較慢；

缺點2：樹根結(jié)點容易因通訊堵塞成為瓶頸，如圖中紅線和藍線分別表示A計算節(jié)點向B，C向D傳遞數(shù)據(jù)，兩個傳遞過程在根節(jié)點和二級共享節(jié)點交匯，當片上數(shù)據(jù)傳遞頻繁時，樹狀拓撲NoC極易發(fā)生堵塞問題。

GPU之所以采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，概因其“主業(yè)”-圖形計算僅有少量情形需要在計算節(jié)點之間做復(fù)雜數(shù)據(jù)通信，因此采用樹狀拓撲以外的方案是純粹的浪費。但樹狀拓撲結(jié)構(gòu)限制了相當多類別的大規(guī)模并行計算任務(wù)在GPU上發(fā)揮，換句話說，下列這些并行計算任務(wù)并不是GPU擴展的強項：

帶有較多分支判斷類的并行計算任務(wù)，典型任務(wù)如人機交互、電腦和環(huán)境交互中的邏輯判斷計算等；

并行計算中帶有較多串行成分，以及反饋算法的并行計算任務(wù)，典型例子如控制系統(tǒng)計算任務(wù)；

帶有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流的并行計算。典型案例為FFT（傅里葉分析）計算任務(wù)，CUDA中的FFT優(yōu)化后可以提供相對CPU約10倍的提速，但當FFT長度超過某個門限后GPU的提升性能就發(fā)生下滑（資料來源：NV官網(wǎng)）。DSP芯片往往針對FFT的算法特性提供定制優(yōu)化，沒有GPU存在的問題，因此手機SoC中往往由DSP而不是GPU處理FFT這種網(wǎng)狀大規(guī)模并行計算。

審核編輯 ：李倩