嵌入式算法移植优化学习笔记5——CPU,GPU,TPU,NPU都是什么

雨点打透心脏的1/2处 2022-10-29 12:29 526阅读 0赞

### 嵌入式算法移植优化学习笔记5——CPU,GPU,TPU,NPU都是什么 ###

*  一、什么是CPU?
 *  二、什么是GPU?
 *  三、什么是NPU?
 *  四、什么是TPU?
 *  附：

随着AI的广泛应用，深度学习已成为当前AI研究和运用的主流方式。面对海量数据的并行运算，AI对于算力的要求不断提升，对硬件的运算速度及功耗提出了更高的要求。

目前，除通用CPU外，作为硬件加速的GPU、NPU、FPGA等一些芯片处理器在深度学习的不同应用中发挥着各自的优势，但孰优孰劣？

以人脸识别为例，其处理基本流程及对应功能模块所需的算力分布如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
为什么会有这样的应用区分？

意义在哪里？

想要知道其中的答案，需要我们先从CPU、GPU、NPU、FPGA它们各自的原理、架构及性能特点来了解。

首先，我们先来了解一下通用CPU的架构

# 一、什么是CPU? #

中央处理器（CPU），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU是计算机中负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。中央处理器主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速及实现它们缓冲处理器之间联系的数据、控制的总线。电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。在计算机体系结构中，CPU 是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元） 进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU 是计算机的运算和控制核心。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。  
主要逻辑架构包括控制单元Control，运算单元ALU和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。简单说，就是**计算单元、控制单元和存储单元**。  
架构图如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
CPU遵循的是冯诺依曼架构，其核心是存储程序、顺序执行。CPU的架构中需要大量的空间去放置存储单元（Cache）和控制单元（Control），相比之下计算单元（ALU）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。

CPU无法做到大量矩阵数据并行计算的能力，但GPU可以。

# 二、什么是GPU? #

图形处理器（英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。

GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产商主要有NVIDIA和ATI。

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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

与CPU相比，**CPU芯片空间的不到20%是ALU，而GPU芯片空间的80%以上是ALU。即GPU拥有更多的ALU用于数据并行处理**。

以Darknet构建的神经网络模型AlexNet、VGG-16及Restnet152在GPU Titan X, CPU Intel i7-4790K (4 GHz) 进行ImageNet分类任务预测的结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

> 备注：以上数据源自https://pjreddie.com/darknet/imagenet/\#reference

由此可见，GPU处理神经网络数据远远高效于CPU。

总结GPU具有如下特点：

*  1 、多线程，提供了多核并行计算的基础结构，且核心数非常多，可以支撑大量数据的并行计算。
 *  2、拥有更高的访存速度。
 *  3、更高的浮点运算能力。

因此，GPU比CPU更适合深度学习中的大量训练数据、大量矩阵、卷积运算。

GPU虽然在并行计算能力上尽显优势，但并不能单独工作，需要CPU的协同处理，对于神经网络模型的构建和数据流的传递还是在CPU上进行。同时存在功耗高，体积大的问题。

**性能越高的GPU体积越大，功耗越高，价格也昂贵，对于一些小型设备、移动设备来说将无法使用**。

因此，一种体积小、功耗低、计算性能高、计算效率高的专用芯片NPU诞生了。

# 三、什么是NPU? #

嵌入式神经网络处理器（NPU）采用“数据驱动并行计算”的架构，特别擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据。  
NPU处理器专门为物联网人工智能而设计，用于加速神经网络的运算，解决传统芯片在神经网络运算时效率低下的问题。在GX8010中，CPU和MCU各有一个NPU，MCU中的NPU相对较小，习惯上称为SNPU。

NPU处理器包括了**乘加、激活函数、二维数据运算、解压缩**等模块。

*  **乘加模块**用于计算矩阵乘加、卷积、点乘等功能，NPU内部有64个MAC，SNPU有32个。
 *  **激活函数模块**采用最高12阶参数拟合的方式实现神经网络中的激活函数，NPU内部有6个MAC，SNPU有3个。
 *  **二维数据运算模块**用于实现对一个平面的运算，如降采样、平面数据拷贝等，NPU内部有1个MAC，SNPU有1个。
 *  **解压缩模块**用于对权重数据的解压。为了解决物联网设备中内存带宽小的特点，在NPU编译器中会对神经网络中的权重进行压缩，在几乎不影响精度的情况下，可以实现6-10倍的压缩效果。

NPU工作原理是在电路层模拟人类神经元和突触，并且用深度学习指令集直接处理大规模的神经元和突触，一条指令完成一组神经元的处理。相比于CPU和GPU，NPU通过突触权重实现存储和计算一体化，从而提高运行效率。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
NPU是模仿生物神经网络而构建的，CPU、GPU处理器需要用数千条指令完成的神经元处理，NPU只要一条或几条就能完成，因此在深度学习的处理效率方面优势明显。

实验结果显示，**同等功耗下NPU 的性能是 GPU 的 118 倍**。

与GPU一样，NPU同样需要CPU的协同处理才能完成特定的任务。下面，我们可以看一下GPU和NPU是如何与CPU协同工作的。

GPU的加速

**GPU当前只是单纯的并行矩阵的乘法和加法运算，对于神经网络模型的构建和数据流的传递还是在CPU上进行**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

CPU加载权重数据，按照代码构建神经网络模型，将每层的矩阵运算通过CUDA或OpenCL等类库接口传送到GPU上实现并行计算，输出结果；CPU接着调度下层神经元组矩阵数据计算，直至神经网络输出层计算完成，得到最终结果。

# 四、什么是TPU? #

TPU（Tensor Processing Unit）即张量处理单元，是一款为机器学习而定制的芯片，经过了专门深度机器学习方面的训练，它有更高效能（每瓦计算能力）。

因为它能加速其第二代人工智能系统TensorFlow的运行，而且效率也大大超过GPU――Google的深层神经网络就是由TensorFlow引擎驱动的。TPU是专为机器学习量身定做的，执行每个操作所需的晶体管数量更少，自然效率更高。

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。

TPU每瓦能为机器学习提供比所有商用GPU和FPGA更高的量级指令，这基本相当于7年后的科技水平。TPU是为机器学习应用特别开发，以使芯片在计算精度降低的情况下更耐用，这意味每一个操作只需要更少的晶体管，用更多精密且大功率的机器学习模型，并快速应用这些模型，因此用户便能得到更正确的结果。

# 附： #

**CPU/GPU/NPU/FPGA各自的特点**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hb19odWlfZmVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

*  APU – Accelerated Processing Unit, 加速处理器，AMD公司推出加速图像处理芯片产品。
 *  BPU – Brain Processing Unit, 地平线公司主导的嵌入式处理器架构。
 *  CPU – Central Processing Unit 中央处理器， 目前PC core的主流产品。
 *  DPU – Deep learning Processing Unit, 深度学习处理器，最早由国内深鉴科技提出；另说有Dataflow Processing Unit 数据流处理器， Wave Computing 公司提出的AI架构；Data storage Processing Unit，深圳大普微的智能固态硬盘处理器。
 *  FPU – Floating Processing Unit 浮点计算单元，通用处理器中的浮点运算模块。

GPU – Graphics Processing Unit, 图形处理器，采用多线程SIMD架构，为图形处理而生。

*  HPU – Holographics Processing Unit 全息图像处理器， 微软出品的全息计算芯片与设备。
 *  IPU – Intelligence Processing Unit， Deep Mind投资的Graphcore公司出品的AI处理器产品。
 *  MPU/MCU – Microprocessor/Micro controller Unit， 微处理器/微控制器，一般用于低计算应用的RISC计算机体系架构产品，如ARM-M系列处理器。
 *  NPU – Neural Network Processing Unit，神经网络处理器，是基于神经网络算法与加速的新型处理器总称，如中科院计算所/寒武纪公司出品的diannao系列。
 *  RPU – Radio Processing Unit, 无线电处理器， Imagination Technologies 公司推出的集合集Wifi/蓝牙/FM/处理器为单片的处理器。
 *  TPU – Tensor Processing Unit 张量处理器， Google 公司推出的加速人工智能算法的专用处理器。目前一代TPU面向Inference，二代面向训练。
 *  VPU – Vector Processing Unit 矢量处理器，Intel收购的Movidius公司推出的图像处理与人工智能的专用芯片的加速计算核心。
 *  WPU – Wearable Processing Unit， 可穿戴处理器，Ineda Systems公司推出的可穿戴片上系统产品，包含GPU/MIPS CPU等IP。
 *  XPU – 百度与Xilinx公司在2017年Hotchips大会上发布的FPGA智能云加速，含256核。
 *  ZPU – Zylin Processing Unit, 由挪威Zylin 公司推出的一款32位开源处理器。

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