隨著AI的廣泛應用，深度學習已成為當前AI研究和運用的主流方式。面對海量數據的并行運算，AI對于算力的要求不斷提升，對硬件的運算速度及功耗提出了更高的要求。

[[264829]]

目前，除通用CPU外，作為硬件加速的GPU、NPU、FPGA等一些芯片處理器在深度學習的不同應用中發揮著各自的優勢，但孰優孰劣?

以人臉識別為例，其處理基本流程及對應功能模塊所需的算力分布如下：

為什么會有這樣的應用區分?

意義在哪里?

想要知道其中的答案，需要我們先從CPU、GPU、NPU、FPGA它們各自的原理、架構及性能特點來了解。

首先，我們先來了解一下通用CPU的架構。

CPU

CPU(Central Processing Unit)中央處理器，是一塊超大規模的集成電路，主要邏輯架構包括控制單元Control，運算單元ALU和高速緩沖存儲器(Cache)及實現它們之間聯系的數據(Data)、控制及狀態的總線(Bus)。

簡單說，

就是計算單元、控制單元和存儲單元。

架構圖如下所示： 

CPU遵循的是馮諾依曼架構，其核心是存儲程序、順序執行。CPU的架構中需要大量的空間去放置存儲單元(Cache)和控制單元(Control)，相比之下計算單元(ALU)只占據了很小的一部分，所以它在大規模并行計算能力上極受限制，而更擅長于邏輯控制。

CPU無法做到大量矩陣數據并行計算的能力，但GPU可以。

GPU

GPU(Graphics Processing Unit)，即圖形處理器，是一種由大量運算單元組成的大規模并行計算架構，專為同時處理多重任務而設計。

為什么GPU可以做到并行計算的能力?GPU中也包含基本的計算單元、控制單元和存儲單元，但GPU的架構與CPU有所不同，如下圖所示： 

與CPU相比，CPU芯片空間的不到20%是ALU，而GPU芯片空間的80%以上是ALU。即GPU擁有更多的ALU用于數據并行處理。

以Darknet構建的神經網絡模型AlexNet、VGG-16及Restnet152在GPU Titan X, CPU Intel i7-4790K (4 GHz) 進行ImageNet分類任務預測的結果： 

備注：以上數據源自https://pjreddie.com/darknet/imagenet/#reference

由此可見，GPU處理神經網絡數據遠遠高效于CPU。

總結GPU具有如下特點：

1 、多線程，提供了多核并行計算的基礎結構，且核心數非常多，可以支撐大量數據的并行計算。

2、擁有更高的訪存速度。

3、更高的浮點運算能力。

因此，GPU比CPU更適合深度學習中的大量訓練數據、大量矩陣、卷積運算。

GPU雖然在并行計算能力上盡顯優勢，但并不能單獨工作，需要CPU的協同處理，對于神經網絡模型的構建和數據流的傳遞還是在CPU上進行。同時存在功耗高，體積大的問題。

性能越高的GPU體積越大，功耗越高，價格也昂貴，對于一些小型設備、移動設備來說將無法使用。

因此，一種體積小、功耗低、計算性能高、計算效率高的專用芯片NPU誕生了。

NPU

NPU (Neural Networks Process Units)神經網絡處理單元。NPU工作原理是在電路層模擬人類神經元和突觸，并且用深度學習指令集直接處理大規模的神經元和突觸，一條指令完成一組神經元的處理。相比于CPU和GPU，NPU通過突觸權重實現存儲和計算一體化，從而提高運行效率。

NPU是模仿生物神經網絡而構建的，CPU、GPU處理器需要用數千條指令完成的神經元處理，NPU只要一條或幾條就能完成，因此在深度學習的處理效率方面優勢明顯。

實驗結果顯示，同等功耗下NPU 的性能是 GPU 的 118 倍。

與GPU一樣，NPU同樣需要CPU的協同處理才能完成特定的任務。下面，我們可以看一下GPU和NPU是如何與CPU協同工作的。

GPU的加速

GPU當前只是單純的并行矩陣的乘法和加法運算，對于神經網絡模型的構建和數據流的傳遞還是在CPU上進行。

CPU加載權重數據，按照代碼構建神經網絡模型，將每層的矩陣運算通過CUDA或OpenCL等類庫接口傳送到GPU上實現并行計算，輸出結果;CPU接著調度下層神經元組矩陣數據計算，直至神經網絡輸出層計算完成，得到最終結果。 

CPU 與GPU的交互流程：

1獲取GPU信息，配置GPU id

2 加載神經元參數到GPU

3 GPU加速神經網絡計算

4接收GPU計算結果

NPU的加速

NPU與GPU加速不同，主要體現為每層神經元計算結果不用輸出到主內存，而是按照神經網絡的連接傳遞到下層神經元繼續計算，因此其在運算性能和功耗上都有很大的提升。

CPU將編譯好的神經網絡模型文件和權重文件交由專用芯片加載，完成硬件編程。 

CPU在整個運行過程中，主要是實現數據的加載和業務流程的控制，其交互流程為：

1打開NPU專用芯片設備

2 傳入模型文件，得到模型task

3 獲取task的輸入輸出信息

4 拷貝輸入數據到模型內存中

5 運行模型，得到輸出數據

除NPU外，在功耗及計算能力上有一拼的還有FPGA。

FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array)稱為現場可編程門陣列，用戶可以根據自身的需求進行重復編程。與 CPU、GPU 相比，具有性能高、功耗低、可硬件編程的特點。

FPGA基本原理是在芯片內集成大量的數字電路基本門電路以及存儲器，而用戶可以通過燒入FPGA 配置文件來定義這些門電路以及存儲器之間的連線。這種燒入不是一次性的，可重復編寫定義，重復配置。

FPGA的內部結構如下圖所示： 

FPGA的編程邏輯塊(Programable Logic Blocks)中包含很多功能單元，由LUT(Look-up Table)、觸發器組成。FPGA是直接通過這些門電路來實現用戶的算法，沒有通過指令系統的翻譯，執行效率更高。

我們可以對比一下

CPU/GPU/NPU/FPGA各自的特點

各芯片架構特點總結

/ CPU /

70%晶體管用來構建Cache，還有一部分控制單元，計算單元少，適合邏輯控制運算。

/ GPU /

晶體管大部分構建計算單元，運算復雜度低，適合大規模并行計算。主要應用于大數據、后臺服務器、圖像處理。

/ NPU /

在電路層模擬神經元，通過突觸權重實現存儲和計算一體化，一條指令完成一組神經元的處理，提高運行效率。主要應用于通信領域、大數據、圖像處理。

/ FPGA /

可編程邏輯，計算效率高，更接近底層IO，通過冗余晶體管和連線實現邏輯可編輯。本質上是無指令、無需共享內存，計算效率比CPU、GPU高。主要應用于智能手機、便攜式移動設備、汽車。

CPU作為最通用的部分，協同其他處理器完成著不同的任務。GPU適合深度學習中后臺服務器大量數據訓練、矩陣卷積運算。NPU、FPGA在性能、面積、功耗等方面有較大優勢，能更好的加速神經網絡計算。而FPGA的特點在于開發使用硬件描述語言，開發門檻相對GPU、NPU高。

可以說，每種處理器都有它的優勢和不足，在不同的應用場景中，需要根據需求權衡利弊，選擇合適的芯片。