AI计算，为什么要用GPU？

今天这篇文章
，AI计算我们继续来聊聊芯片 。AI计算

在之前的AI计算文章里，小枣君说过 ，AI计算行业里通常会把半导体芯片分为数字芯片和模拟芯片。AI计算其中，AI计算数字芯片的AI计算市场规模占比较大，达到70%左右。AI计算

数字芯片 ，AI计算还可以进一步细分
，AI计算分为
：逻辑芯片、AI计算存储芯片以及微控制单元(MCU)。AI计算

存储芯片和MCU以后再介绍，AI计算今天小枣君重点讲讲逻辑芯片 。AI计算

逻辑芯片，服务器租用AI计算其实说白了就是计算芯片。它包含了各种逻辑门电路，可以实现运算与逻辑判断功能，是最常见的芯片之一  。

大家经常听说的CPU、GPU、FPGA、ASIC ，全部都属于逻辑芯片
。而现在特别火爆的AI  ，用到的源码库所谓“AI芯片”
，也主要是指它们。

先说说大家最熟悉的CPU，英文全称Central Processing Unit，中央处理器。

CPU

但凡是个人都知道
，CPU是计算机的心脏
。

现代计算机 ，都是基于1940年代诞生的冯·诺依曼架构。亿华云在这个架构中
，包括了运算器(也叫逻辑运算单元 ，ALU)、控制器(CU)
、存储器 、输入设备、输出设备等组成部分。

冯·诺依曼架构

数据来了，会先放到存储器。然后 ，控制器会从存储器拿到相应数据，再交给运算器进行运算。运算完成后，再把结果返回到存储器。

这个流程 ，还有一个更有逼格的模板下载叫法  ：“Fetch(取指)-Decode(译码)- Execute(执行)-Memory Access(访存)-Write Back(写回)”
。

大家看到了 ，运算器和控制器这两个核心功能 ，都是由CPU负责承担的。

具体来说，运算器(包括加法器、减法器 、乘法器、除法器)，负责执行算术和逻辑运算
，是真正干活的。控制器，高防服务器负责从内存中读取指令
、解码指令 
、执行指令 ，是指手画脚的 
。

除了运算器和控制器之外，CPU还包括时钟模块和寄存器(高速缓存)等组件。

时钟模块负责管理CPU的时间 ，为CPU提供稳定的时基。它通过周期性地发出信号 ，驱动CPU中的所有操作 ，调度各个模块的香港云服务器工作。

寄存器是CPU中的高速存储器 ，用于暂时保存指令和数据。它的CPU与内存(RAM)之间的“缓冲”
，速度比一般的内存更快，避免内存“拖累”CPU的工作。

寄存器的容量和存取性能，可以影响CPU到对内存的访问次数 ，进而影响整个系统的效率。后面我们讲存储芯片的时候，还会提到它 。

CPU一般会基于指令集架构进行分类，包括x86架构和非x86架构 。x86基本上都是复杂指令集(CISC) ，而非x86基本为精简指令集(RISC)。

PC和大部分服务器用的是x86架构，英特尔和AMD公司占据主导地位。非x86架构的类型比较多，这些年崛起速度很快，主要有ARM 、MIPS、Power
、RISC-V、Alpha等。以后会专门介绍 。

再来看看GPU。

GPU是显卡的核心部件 ，英文全名叫Graphics Processing Unit ，图形处理单元(图形处理器) 。

GPU并不能和显卡划等号。显卡除了GPU之外 ，还包括显存、VRM稳压模块、MRAM芯片 、总线、风扇、外围设备接口等。

显卡

1999年，英伟达(NVIDIA)公司率先提出了GPU的概念 。

之所以要提出GPU，是因为90年代游戏和多媒体业务高速发展。这些业务给计算机的3D图形处理和渲染能力提出了更高的要求。传统CPU搞不定，所以引入了GPU ，分担这方面的工作
。

根据形态，GPU可分为独立GPU(dGPU，discrete/dedicated GPU)和集成GPU(iGPU，integrated GPU)，也就是常说的独显、集显。

GPU也是计算芯片
。所以
，它和CPU一样，包括了运算器、控制器和寄存器等组件。

但是 ，因为GPU主要负责图形处理任务，所以，它的内部架构和CPU存在很大的不同。

如上图所示 ，CPU的内核(包括了ALU)数量比较少，最多只有几十个 。但是  ，CPU有大量的缓存(Cache)和复杂的控制器(CU)。

这样设计的原因，是因为CPU是一个通用处理器 。作为计算机的主核心 ，它的任务非常复杂，既要应对不同类型的数据计算，还要响应人机交互。

复杂的条件和分支 ，还有任务之间的同步协调，会带来大量的分支跳转和中断处理工作。它需要更大的缓存，保存各种任务状态 ，以降低任务切换时的时延 。它也需要更复杂的控制器 ，进行逻辑控制和调度。

CPU的强项是管理和调度。真正干活的功能，反而不强(ALU占比大约5%~20%)
。

如果我们把处理器看成是一个餐厅的话 ，CPU就像一个拥有几十名高级厨师的全能型餐厅。这个餐厅什么菜系都能做 ，但是 ，因为菜系多  ，所以需要花费大量的时间协调 、配菜，上菜的速度相对比较慢。

而GPU则完全不同 。

GPU为图形处理而生 ，任务非常明确且单一 。它要做的
，就是图形渲染。图形是由海量像素点组成的
，属于类型高度统一、相互无依赖的大规模数据
 。

所以，GPU的任务
，是在最短的时间里，完成大量同质化数据的并行运算 。所谓调度和协调的“杂活”
，反而很少。

并行计算 ，当然需要更多的核啊。

如前图所示 ，GPU的内核数，远远超过CPU，可以达到几千个甚至上万个(也因此被称为“众核”)。

RTX4090有16384个流处理器

GPU的核，称为流式多处理器(Stream Multi-processor ，SM) ，是一个独立的任务处理单元 。

在整个GPU中，会划分为多个流式处理区。每个处理区，包含数百个内核 。每个内核，相当于一颗简化版的CPU ，具备整数运算和浮点运算的功能，以及排队和结果收集功能 。

GPU的控制器功能简单，缓存也比较少 。它的ALU占比，可以达到80%以上。

虽然GPU单核的处理能力弱于CPU，但是数量庞大
，非常适合高强度并行计算。同等晶体管规模条件下
，它的算力  ，反而比CPU更强 。

还是以餐厅为例 。GPU就像一个拥有成千上万名初级厨师的单一型餐厅。它只适合做某种指定菜系
。但是，因为厨师多 ，配菜简单 ，所以大家一起炒  ，上菜速度反而快。

CPU vs GPU

大家都知道 ，现在的AI计算，都在抢购GPU。英伟达也因此赚得盆满钵满。为什么会这样呢?

原因很简单 ，因为AI计算和图形计算一样，也包含了大量的高强度并行计算任务
。

深度学习是目前最主流的人工智能算法
。从过程来看，包括训练(training)和推理(inference)两个环节。

在训练环节 ，通过投喂大量的数据 ，训练出一个复杂的神经网络模型。在推理环节 ，利用训练好的模型
，使用大量数据推理出各种结论 。

训练环节由于涉及海量的训练数据 ，以及复杂的深度神经网络结构，所以需要的计算规模非常庞大
，对芯片的算力性能要求比较高。而推理环节，对简单指定的重复计算和低延迟的要求很高。

它们所采用的具体算法，包括矩阵相乘、卷积 、循环层
、梯度运算等 ，分解为大量并行任务  ，可以有效缩短任务完成的时间 。

GPU凭借自身强悍的并行计算能力以及内存带宽
，可以很好地应对训练和推理任务
，已经成为业界在深度学习领域的首选解决方案
。

目前 ，大部分企业的AI训练 ，采用的是英伟达的GPU集群 。如果进行合理优化，一块GPU卡 ，可以提供相当于数十其至上百台CPU服务器的算力 。

NVIDIA HGX A100 8 GPU 组件

不过 ，在推理环节 ，GPU的市场份额占比并没有那么高 。具体原因我们后面会讲。

将GPU应用于图形之外的计算，最早源于2003年
。

那一年，GPGPU(General Purpose computing on GPU，基于GPU的通用计算)的概念首次被提出
。意指利用GPU的计算能力 ，在非图形处理领域进行更通用、更广泛的科学计算
。

GPGPU在传统GPU的基础上，进行了进一步的优化设计，使之更适合高性能并行计算。

2009年，斯坦福的几位学者，首次展示了利用GPU训练深度神经网络的成果，引起了轰动
。

几年后
，2012年，神经网络之父杰弗里·辛顿(Geoffrey Hinton)的两个学生——亚历克斯·克里切夫斯基(Alex Krizhevsky) 、伊利亚·苏茨克沃(Ilya Sutskever)  ，利用“深度学习+GPU”的方案 ，提出了深度神经网络AlexNet，将识别成功率从74%提升到85%，一举赢得Image Net挑战赛的冠军。

左起 ：伊利亚·苏茨克沃，亚历克斯·克里切夫斯基，杰弗里·辛顿

这彻底引爆了“AI+GPU”的浪潮。英伟达公司迅速跟进 ，砸了大量的资源，在三年时间里 ，将GPU性能提升了65倍 。

除了硬刚算力之外，他们还积极构建围绕GPU的开发生态。他们建立了基于自家GPU的CUDA(Compute Unified Device Architecture)生态系统 ，提供完善的开发环境和方案，帮助开发人员更容易地使用GPU进行深度学习开发或高性能运算
。

这些早期的精心布局，最终帮助英伟达在AIGC爆发时收获了巨大的红利。目前，他们市值高达1.22万亿美元(英特尔的近6倍) ，是名副其实的“AI无冕之王” 。

那么，AI时代的计算，是不是GPU一家通吃呢?我们经常听说的FPGA和ASIC，好像也是不错的计算芯片 。它们的区别和优势在哪里呢?