算力未来，GPU or CPU ？

科技 2024-10-21 07:35 北京

【摘要】本文深入探讨了GPU和CPU二者的特点和差异对比、应用场景以及在未来算力需求下的适用性，以为企业在GPU与CPU之间做出明智决策提供参考。

【作者】李杰，专注于Java虚拟机技术、云原生技术领域的探索与研究。

在当今科技迅猛发展的时代，计算能力已成为推动各行各业创新与进步的核心驱动力。随着人工智能、深度学习、数据分析等需求的激增，传统的中央处理器（CPU）面临着前所未有的挑战。与此同时，图形处理器（GPU）凭借其强大的并行计算能力，迅速崛起，成为高性能计算的宠儿。

那么，在未来的计算领域中，该选择GPU还是CPU？本文将深入探讨两者的特点、应用场景以及在未来算力需求下的适用性，帮助您在GPU与CPU之间做出更明智的决策。无论是追求卓越性能的科研人员，还是希望优化资源的企业决策者，这个问题都将深刻影响您对技术投资的选择与战略布局。

1. 算力新纪元：从CPU到GPU，多元化加速

高性能计算（HPC）领域正在经历一场深刻的变革。传统上，图形处理单元（GPU）和现场可编程门阵列（FPGA）作为专用硬件加速器，一直是HPC系统的核心加速组件，在科学计算、人工智能等计算密集型应用领域展现出卓越的并行计算性能。然而，随着处理器架构的不断创新和并行计算能力的持续提升，通用的中央处理单元（CPU）也开始在HPC领域扮演越来越重要的角色。

HPC系统并非单一的硬件设备，而是由多个部件紧密集成而成的复杂系统。其中，计算节点是HPC系统的核心，通常由多个CPU或GPU/FPGA加速器组成，负责执行密集型计算任务。存储资源为HPC系统提供了海量的高性能存储空间，用于存放计算数据及中间结果。而高速低延迟的互连网络则确保了计算节点之间进行高效通信和数据传输。虽然HPC系统常常与世界顶级超级计算机混淆，但实际上超级计算机只是HPC体系中性能指标最为卓越的一个子集，代表着HPC计算能力的最高水平。

随着云计算技术的快速发展和成本持续下降，越来越多的企业和组织开始将HPC部署到云端,以灵活应对不断变化的计算需求。特别是中小企业，传统上较难承担建设自有HPC系统的昂贵成本，现在可以通过云HPC解决方案,以按需付费、弹性扩展的方式，获得与大型机构媲美的强大计算能力，从而在激烈的市场竞争中占据优势。著名研究机构Gartner预测，到2027年，全球HPC市场规模将突破500亿美元大关，其中，中小企业将成为推动HPC产业高速增长的主要动力。

2. 如何理解CPU在算力中的价值？

中央处理器（CPU），作为计算机的核心组件，一直被誉为“计算机的大脑”。它是一个微型化的集成电路，由数百万个晶体管组成，负责执行计算机程序中的指令，控制计算机硬件各部件的工作。CPU的内部结构复杂而精妙，其工作原理与人类大脑颇有相似之处。它通过执行逻辑运算、算术计算、控制数据流动等方式，处理计算机系统中的各种任务。

现代CPU的设计日益复杂，为了提升性能，多核架构成为主流。多核CPU中包含多个独立的处理核心，可以同时执行多个任务，显著提高了计算机的并行处理能力。此外，CPU的缓存技术、流水线技术等也为其性能的提升做出了重要贡献。

中央处理器（CPU），作为计算机系统的核心，其高效的串行处理能力是其显著特点。得益于多核心设计和高时钟频率，CPU能够快速地顺序执行指令，在各种任务之间灵活切换。这种顺序执行的特点使得CPU在处理复杂的逻辑运算、系统调用以及需要低延迟的任务时表现出色。尽管CPU在多任务处理方面表现优秀，但本质上它仍然是一个串行处理器，一次只能执行一条指令。其架构参考示意图如下所示：

在高性能计算（HPC）系统中，CPU虽然不再是唯一的计算单元，但依然扮演着至关重要的角色。它负责管理系统的资源分配、执行操作系统指令、控制I/O设备等底层任务。同时，CPU还为GPU等加速器提供指令和数据，协调它们的工作。在一些HPC应用中，CPU负责处理精度要求高的计算任务，而将计算密集型任务交给GPU等加速器来执行，从而实现异构计算，最大程度地发挥系统的性能。

随着半导体技术的不断进步，CPU的性能也在不断提升。然而，摩尔定律的放缓以及功耗的限制，使得CPU的发展面临着新的挑战。为了应对这些挑战，各大芯片厂商纷纷推出各种新的CPU架构和技术，以提高CPU的性能、能效和适应性。

3. 如何理解GPU在算力中发力？

相对比于 CPU 而言， GPU在有效处理多个复杂计算任务方面的主要优势，源自其卓越的 “ 大规模并行架构 ” 设计。

通常而言， GPU由数百甚至数千个小型处理内核组成，这些内核通常被称为流处理器（Stream Processors）或着色器内核（Shader Cores）。每个处理内核都配备了自己的寄存器和共享内存块，用于存储数据和执行程序指令。这种设计使得GPU能够以极高的效率同时处理大量并行任务。

GPU（图形处理单元）是一种专门设计的处理器，最初用于渲染高分辨率图像以及创建身临其境的游戏图形和动画。然而，随着技术的进步，个人用户和企业现在越来越多地将GPU应用于大规模数学运算、AI/ML系统的训练与部署，以及跨行业的数据分析。

GPU通常由数百到数千个内核组成，这种设计使其具备了前所未有的并行处理能力。与CPU的内核不同，CPU能够通过先发制人机制依次处理多个任务，而GPU的所有内核则能同时在不同的数据集上执行相同的数学指令。这种架构被称为单指令、多数据（SIMD），使得GPU能够高效地处理涉及重复执行复杂指令集的工作负载，特别适合于实时数据分析、区块链验证、AI/ML培训以及神经网络应用等场景。

下面的GPU架构示意图清晰地展示了其内部结构和工作原理。深入分析CPU与GPU之间的基本架构差异，不仅揭示了两者在设计理念上的本质区别，还为我们在不同应用场景中合理选择计算资源提供了重要的指导依据。理解这些差异将有助于开发者和系统架构师在性能优化和资源配置时做出更明智的决策，从而更有效地利用各自的优势，满足具体的计算需求。

与GPU相比，CPU中的算术逻辑单元（ALU）数量相对较少。这是因为CPU主要设计用于执行顺序操作，相对而言，GPU需要更多的空间来容纳尽可能多的并行操作，从而提升计算能力。因此，NVIDIA在其GPU架构中留出了更多的空间以支持高并发运算。例如，最新的GPU型号（如Tesla P100、Tesla V100和A100）每个计算块支持多达1024个线程，极大地增强了其并行处理能力。

另一方面，由于CPU在执行过程中往往需要等待数据的获取与处理，因而需要在内存中存储更多的数据。这使得英特尔在其处理器中为缓存内存分配了更大的空间，以提高数据访问速度。相比之下，NVIDIA的GPU在设计上不需要过多的缓存空间来保存数据，因此在缓存内存的分配上相对较少。

尽管NVIDIA GPU在处理并行任务时表现出色，但在数据传输方面仍面临挑战。性能的高低往往取决于数据如何在主机内存、全局内存以及处理器块内部的共享内存和寄存器之间进行有效传递。

因此，在实际的算力场景中，仅依赖CPU来应对这些复杂的工作负载，往往会导致性能瓶颈和交付延迟。因此，企业开始寻求GPU辅助的高性能计算（HPC）解决方案，以更好地满足这些需求。

虽然CPU能够轻松处理多个任务，但GPU则专注于单一任务，其所有内核都专门用于高效完成该任务，随后再切换到下一个任务。GPU的设计强调高吞吐量，相较于CPU，通常消耗更少的内存。通过实现强大的并行处理能力和高吞吐量，GPU能够快速且有效地提升计算操作的性能，显著增强系统的整体处理能力。

4. CPU和GPU的关键差异性对比

GPU（图形处理器）和CPU（中央处理器）是现代计算机系统中不可或缺的两大核心组件。尽管它们都负责处理数据，但其架构设计、工作原理和应用场景却存在显著差异。主要体现在如下关键点：

1）任务处理

CPU：设计上针对顺序处理进行了优化，能够快速、高效地处理复杂的任务，如数据排序和复杂计算。这种顺序执行的能力使得CPU在需要严格按步骤执行的场景中表现卓越。

GPU：专为并行处理而设计，能够将复杂任务拆分为多个较小的操作，允许同时执行多个任务。这种并行化的能力使得GPU在处理大规模数据时极为高效，尤其是在图形和计算密集型应用中。

2）基本架构

CPU：通常具有较少的核心，但每个核心功能强大，能够处理复杂的运算和逻辑任务。这种设计使CPU适合于多种复杂应用，如数据库管理和操作系统。

GPU：由数百或数千个较小的核心组成，专门设计用于实现简单且高效的并行执行。这种架构使得GPU能够同时处理大量的数据，适合图形渲染和机器学习等场景。

3）应用场景

CPU：最适合需要复杂计算和逻辑判断的任务，如运行操作系统、数据库管理和复杂算法的计算。CPU的灵活性使其能够应对各种通用计算需求。

GPU：特别适用于可以并行化的任务，如图形渲染、视频处理和深度学习等。GPU的设计使得它在执行相同操作时能同时处理多个数据项，极大地提高了处理效率。

4）效率和性能

CPU：擅长快速处理数据和执行连续的、依赖于前一步结果的任务。其高效的单线程性能使得CPU在许多传统应用中仍然占据主导地位。

GPU：擅长同时处理多个任务，能够显著缩短并行处理所需的时间。这种高吞吐量使得GPU在需要快速处理大规模数据集时表现出色，特别是在科学计算和AI训练中。

5）功耗

CPU：由于其设计复杂且运行速度较快，通常每个核心消耗更多的电量。然而，总体功耗还依赖于具体的工作负载，对于需要快速、连续处理的任务，CPU的效率通常更高。

GPU：虽然GPU由许多较小、功能较弱的内核组成，其并行处理设计在高负载情况下可能导致更高的总功耗，例如在3D渲染和复杂计算中。然而，对于可以并行化的任务，GPU在每瓦计算能力方面往往能提供比CPU更高的效率，使其在特定应用中成为更具能源效益的选择。

5. CPU和GPU的共生共存关系

其实，从本质上来讲，仅仅因为CPU和GPU在架构和功能上差异性，我们就认为其中一个优于另一个。实际上，二者各自在现代高性能技术中扮演着特定而重要的角色。比如，在渲染高度细致的3D图形时，单靠CPU的处理能力往往无法满足效率要求，此时GPU的并行处理能力能够显著提升渲染速度。相反，对于数据库服务器、网页浏览器或办公应用程序所需的计算任务，使用GPU并不理想，因为这些任务往往不需要GPU所提供的并行计算能力。

尽管CPU能够执行与GPU相同的计算任务，硬件制造商意识到，将某些面向多媒体的常见任务卸载到GPU上，可以有效减轻CPU的负担，从而提升整体性能。这种性能提升的实现依赖于CPU和GPU之间的协调工作，只有当两者能够有效协同，才能充分发挥各自的优势。

需要强调的是，GPU并不是用来取代CPU的。CPU仍然是计算硬件流的主要控制者，负责决定如何处理数据，无论是直接处理还是将任务传递给GPU。尽管CPU可以完成相同的计算工作，但由于其设计架构，GPU往往更适合于处理特定类型的计算任务，尤其是在需要执行多个相同指令时。GPU中存在多个可以并行执行的指令，专为处理大量数据而优化，这使得它在处理需要重复执行的复杂运算时，表现出色。

因此，从某种意义上而言，GPU和CPU在高性能计算（HPC）算力集群中各自扮演着至关重要且独特的角色。CPU，作为计算机的核心处理器，负责运行操作系统及其他关键应用程序，例如HPC集群中的防火墙和资源管理器。没有CPU，计算机无法进行基本的操作，更不用说复杂的高性能计算任务了。因此，HPC集群的稳定运行依赖于CPU的存在。

与此同时，GPU凭借其众多内核的设计，展现出卓越的并行处理能力，能够轻松应对大规模复杂计算任务。在CPU的支持下，GPU作为硬件加速器，极大地提高了资源密集型任务的处理效率，特别是在人工智能（AI）、机器学习（ML）、自然语言处理（NLP）和人工神经网络（ANN）等领域。尽管我们可以在没有GPU的情况下构建HPC集群，但这将限制系统处理繁重计算负载的能力，使其表现远不如预期。

由此可见，CPU和GPU在高性能计算系统中的协同运作是必不可少的。CPU为整个系统提供基础支持，而GPU则在计算密集型任务中发挥关键作用，推动性能的飞跃。因此，只有在这两者共同工作时，HPC系统才能充分发挥其潜力，实现高效能的计算表现。没有CPU，HPC集群无法启动；而没有GPU，系统在处理重负载时将显得力不从心。两者的紧密结合，形成了现代高性能计算的核心。

参考：

https://www.weka.io/learn/glossary/ai-ml/cpu-vs-gpu/
https://tecadmin.net/cpu-vs-gpu-key-differences/
https://www.cherryservers.com/blog/gpu-vs-cpu-what-are-the-key-differences#difference-between-gpu-vs-cpu-fundamentals

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