丽莎老师讲机器人之CPU、GPU、TPU、NPU都是些什么之一

丽莎老师讲机器人之CPU、GPU、TPU、NPU都是些什么之一欢迎收听丽莎老师讲机器人，想要孩子参加机器人竞赛、创意编程、创客竞赛的辅导，找丽莎老师！欢迎添加微信号：153 5359 2068，或搜索微信公众号：我最爱机器人。如今技术日新月异，物联网、人工智能、深度学习等概念遍地开花，各类芯片名词GPU, TPU, NPU,DPU,层出不穷......它们都是什么？与CPU又是什么关系？今天我们就来科普一下这些各种PU”！CPUCPU( 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，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）。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。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，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。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。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。

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