【异构计算】GPU与CPU

引言

CPU和GPU都是具有运算能力的芯片。CPU更像“通才”主要指令运算(执行)为重和数值运算，而GPU更像“专才”，主要图形类数值计算为核心。在不同类型的运算方面的速度也就决定了它们的能力。芯片的速度主要取决于三个方面：微架构，主频和IPC(每个时钟周期执行的指令数)。

微架构

从微架构上看，CPU和GPU看起来完全不是按照相同的设计思路设计的，当代CPU的微架构是按照兼顾“指令并行执行”和“数据并行运算”的思路而设计，就是要兼顾程序执行和数据运算的并行性、通用性以及它们的平衡性。CPU的微架构偏重于程序执行的效率，不会一味追求某种运算极致速度而牺牲程序执行的效率。CPU微架构的设计是面向指令执行高效率而设计的，因而CPU是计算机中设计最复杂的芯片。和GPU相比，CPU核心的重复设计部分不多，这种复杂性不能仅以晶体管的多寡来衡量，这种复杂性来自于实现：如程序分支预测，推测执行，多重嵌套分支执行，并行执行时候的指令相关性和数据相关性，多核协同处理时候的数据一致性等等复杂逻辑。

GPU其实是由硬件实现的一组图形函数的集合，这些函数主要用于绘制各种图形所需要的运算。这些和像素，光影处理，3D 坐标变换等相关的运算由GPU硬件加速来实现。图形运算的特点是大量同类型数据的密集运算----如图形数据的矩阵运算，GPU的微架构就是面向适合于矩阵类型的数值计算而设计的，大量重复设计的计算单元，这类计算可以分成众多独立的数值计算－大量数值运算的线程，而且数据之间没有像程序执行的那种逻辑关联性。GPU微架构复杂度不高，尽管晶体管的数量不少。从应用的角度看，如何运用好GPU的并行计算能力主要的工作是开发好它的驱动程序。GPU驱动程序的优劣很大程度左右了GPU实际性能的发挥。

因此从微架构上看，CPU擅长的是像操作系统、系统软件和通用应用程序这类拥有复杂指令调度、循环、分支、逻辑判断以及执行等的程序任务。它的并行优势是程序执行层面的，程序逻辑的复杂度也限定了程序执行的指令并行性，上百个并行程序执行的线程基本看不到。GPU擅长的是图形类的或者是非图形类的高度并行数值计算，GPU可以容纳上千个没有逻辑关系的数值计算线程，它的优势是无逻辑关系数据的并行计算。

主频

另外，GPU执行每个数值计算的速度并没有比CPU快，从目前主流CPU和GPU的主频就可以看出了，CPU的主频都超过了1GHz，2GHz，甚至3GHz，而GPU的主频最高还不到1GHz，主流的也就500~600MHz。要知道1GHz = 1000MHz。所以GPU在执行少量线程的数值计算时并不能超过CPU。目前GPU数值计算的优势主要是浮点运算，它执行浮点运算快是靠大量并行，但是这种数值运算的并行性在面对程序的逻辑执行时毫无用处。

IPC(每个时钟周期执行的指令数)

这个方面，CPU和GPU无法比较，因为GPU大多数指令都是面向数值计算的，少量的控制指令也无法**作系统和软件直接使用。如果比较数据指令的IPC，GPU显然要高过CPU，因为并行的原因。但是，如果比较控制指令的IPC，自然是CPU的要高的多。原因很简单，CPU着重的是指令执行的并行性。另外，目前有些GPU也能够支持比较复杂的控制指令，比如条件转移、分支、循环和子程序调用等，但是GPU程序控制这方面的增加，和支持操作系统所需要的能力CPU相比还是天壤之别，而且指令执行的效率也无法和CPU相提并论。

总结

CPU擅长的方面：

• 操作系统，系统软件，应用程序，通用计算，系统控制等等；
• 游戏中人工智能，物理模拟等等；3D建模-光线追踪渲染；
• 虚拟化技术－抽象硬件，同时运行多个操作系统或者一个操作系统的多个副本等等。

GPU擅长的方面：

• 图形类矩阵运算，非图形类并行数值计算，高端3D游戏。

综上所述，在一台均衡计算的计算机系统中，CPU和GPU还是各司其职，除了图形运算，GPU将来可能主要集中在高效率低成本的高性能并行数值计算，帮助CPU分担这种类型的计算，提高系统这方面的性能。而当前的典型应用还是高端3D游戏，一个高效的GPU配合一个高效的CPU，3D游戏的整体效率才能得到保证。“高端3D游戏只需要高端显卡”或者“高端3D游戏只需要CPU”都是无稽之谈。

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