CPU是什么？

CPU,中央處理器(Central Processing Unit)是一臺計算機的運算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設備是電子計算機三大核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。

GPU是什么？

GPU,圖形處理器(Graphic Processing Unit)。一個專門的圖形核心處理器。GPU是顯示卡的“大腦”，決定了該顯卡的檔次和大部分性能，同時也是2D顯示卡和3D顯示卡的區(qū)別依據(jù)。2D顯示芯片在處理3D圖像和特效時主要依賴CPU的處理能力，稱為“軟加速”。3D顯示芯片是將三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi)，也即所謂的“硬件加速”功能。

GPU與CPU的區(qū)別

GPU的由來

計算機對圖像進行實時渲染， 一般需要經(jīng)過圖形流水線的過程：复制頂點處理->圖元處理->柵格化->片段處理->像素操作, 期間需要大量的計算，比如 640×480的分辨率的屏幕，為了顯示游戲畫面，大概有30萬個像素需要渲染 ，為了讓人眼看到畫面動起來，其不像電影一樣只需要24幀，至少需要60幀， 即每秒我們需要完成1800 萬次單個像素的渲染，每個像素都需要經(jīng)過 圖形流水線過程 ，需要耗費大量資源

隨著圖像處理對于計算機來說越來越重要，CPU越來越不從心了。CPU需要很強的通用性來處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，同時又要邏輯判斷又會引入大量的分支跳轉(zhuǎn)和中斷的處理。這些都使得CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復雜。

另一方面，當芯片的集成度增加后，漏電流也隨之增大，但時鐘頻率的提高有限，而且晶體管的線寬很快就會到達物理極限，因此芯片的性能很難靠減小晶體管線寬來提高。所以工程師們開始想辦法在設計上做文章：由于圖像渲染的流程是固定的，通過硬件來解決這個問題，那就設計一個不需要考慮CPU的流水線停頓、亂序執(zhí)行、 分支預測、內(nèi)存管理、IO等等的各類問題的芯片 ，這其實就是GPU。

并行計算

我們重點再介紹一下CPU并行，即并行計算

并行計算(Parallel Computing)是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，是提高計算機系統(tǒng)計算速度和處理能力的一種有效手段。它的基本思想是用多個處理器來共同求解同一問題，即將被求解的問題分解成若干個部分，各部分均由一個獨立的處理機來并行計算。

并行計算可分為复制時間上的并行和复制空間上的并行

1. 時間上的并行是指流水線技術(shù)，采用流水線，可以在同一時間啟動兩個或兩個以上的操作，大大提高計算性能。
2. 空間上的并行是指多個處理機并發(fā)的執(zhí)行計算，即通過網(wǎng)絡將兩個以上的處理機連接起來，達到同時計算同一個任務的不同部分，或者單個處理機無法解決的大型問題。

GPU架構(gòu)優(yōu)化

我們來看看，現(xiàn)代的 GPU 為了圖形渲染、深度學習上有相較于CPU更強大的性能，做出來哪些設計上的優(yōu)化：

1. 由于GPU不需要考慮CPU的流水線停頓、亂序執(zhí)行、 分支預測等等的各類問題,只需要流式計算的功能，所以內(nèi)部許多CPU的電路是不需要的，這樣就節(jié)約了大量空間
2. 由于GPU相比CPU電路就簡單多了，這樣就可以塞入更多的電路，即更多的"核"，他們都是并行的，能夠極大提升性能
3. 除了塞更多的核，為了更大程度提升GPU的性能，還采用 SIMT技術(shù)， 可以把多條數(shù)據(jù)，交給不同的線程去處理。類似于CPU中，SIMD技術(shù)，但是其只能一次性取出了固定 長度的多個數(shù)據(jù)，放到寄存器里面，用一個指令去執(zhí)行
4. GPU同樣采用超線程技術(shù)， 當任務計算遇到停頓的時候，調(diào)度一些別的計算任務給當前的 ALU，這樣就需要保證核心中提供更多的執(zhí)行上下文給ALU算數(shù)計算單元使用

我們再看看下面的CPU和GPU的架構(gòu)圖，想必會有所得

1. CPU架構(gòu)圖

CPU架構(gòu)

2. GPU架構(gòu)圖

GPU架構(gòu)圖

從架構(gòu)圖我們就能很明顯的看出，GPU的構(gòu)成相對簡單，GPU采用 流式并行計算模式 ，每一個計算單元可以單獨負責一個像素點，每個像素點不依賴旁邊像素點的數(shù)據(jù)，所以每個計算單元都是獨立并行的，不需要控制器額外干涉。复制CPU的核數(shù)一般2,4,8核；但是GPU可以達到上千核擁有數(shù)量非常多的計算單元和超長的流水線，計算能力非常強悍，特別適合處理大規(guī)模并發(fā)計算

我們需要知道GPU無法單獨工作，必須由CPU進行控制調(diào)用才能工作。CPU可單獨作用，處理復雜的邏輯運算和不同的數(shù)據(jù)類型，但當需要大量的處理類型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)時，則可調(diào)用GPU進行并行計算。

GPU和CPU的應用場景

小結(jié)一下

1. CPU需要很強的通用性來處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，同時又要邏輯判斷又會引入大量的分支跳轉(zhuǎn)和中斷的處理。這些都使得CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復雜，采用的是精兵戰(zhàn)術(shù)，能力強，但數(shù)量少，擅長邏輯控制，串行運算。
2. GPU面對的則是類型高度統(tǒng)一的、相互無依賴的大規(guī)模數(shù)據(jù)和不需要被打斷的純凈的計算環(huán)境，采用的是人海戰(zhàn)術(shù)，單個能力弱，但數(shù)量眾多，擅長的是大規(guī)模并發(fā)計算。

雖然GPU是為了圖像處理而生的，隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)在GPU不僅可以在圖像處理領(lǐng)域大顯身手，它還被用來深度學習、科學計算、密碼破解、數(shù)值分析，海量數(shù)據(jù)處理，金融分析等需要大規(guī)模并行計算的領(lǐng)域。

參考資料：《深入淺出計算機組成原理》 https://blog.csdn.net/shuiyixin/article/details/82915378