CPU,GPU,DPU,TPU,NPU,BPU等处理器的性能及概念

CPU,GPU,DPU,TPU,NPU,BPU各种U还在傻傻分不清么？本文带你领略这些不同的U所代表的意义，让你有醍醐灌顶般的醒悟收获，有需要的朋友可以借鉴参考

1.CPU

CPU( Central Processing Unit, 中央处理器)就是机器的“大脑”，也是布局谋略、发号施令、控制行动的“总司令官”。

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）

是不是有点儿复杂？没关系，这张图完全不用记住，我们只需要知道，CPU遵循的是冯诺依曼架构，其核心就是：存储程序，顺序执行。

讲到这里，有没有看出问题，没错――在这个结构图中，负责计算的绿色区域占的面积似乎太小了，而橙色区域的缓存Cache和黄色区域的控制单元占据了大量空间。

高中化学有句老生常谈的话叫：结构决定性质，放在这里也非常适用。

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。

2.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。

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。

3.TPU

按照上文所述，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。

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机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。