各种硬件芯片架构的特点总结

　　各种硬件
　　CPU
　　CPU（Central Processing Unit）中央处理器，是一块超大规模的集成电路，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：
　　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。
　　GPU
　　CPU无法做到大量矩阵数据并行计算的能力，但GPU可以。
　　GPU（Graphics Processing Unit），即图形处理器，是一种由大量运算单元组成的大规模并行计算架构，专为同时处理多重任务而设计。
　　为什么GPU可以做到并行计算的能力？GPU中也包含基本的计算单元、控制单元和存储单元，但GPU的架构与CPU有所不同，如下图所示：
　　
　　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：
　　总结GPU具有如下特点：
　　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
　　拥有更高的访存速度；
　　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。
　　NPU
　　NPU （Neural Networks Process Units）神经网络处理单元。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。
　　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。
　　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。
　　CPU 与GPU的交互流程：
　　获取GPU信息，配置GPU id
　　加载神经元参数到GPU
　　GPU加速神经网络计算
　　接收GPU计算结果
　　NPU的加速
　　NPU与GPU加速不同，主要体现为每层神经元计算结果不用输出到主内存，而是按照神经网络的连接传递到下层神经元继续计算，因此其在运算性能和功耗上都有很大的提升。
　　CPU将编译好的神经网络模型文件和权重文件交由专用芯片加载，完成硬件编程。
　　CPU在整个运行过程中，主要是实现数据的加载和业务流程的控制，其交互流程为：
　　打开NPU专用芯片设备
　　传入模型文件，得到模型task
　　获取task的输入输出信息
　　拷贝输入数据到模型内存中
　　运行模型，得到输出数据
　　FPGA
　　FPGA（Field－Programmable Gate Array）称为现场可编程门阵列，用户可以根据自身的需求进行重复编程。与CPU、GPU 相比，具有性能高、功耗低、可硬件编程的特点。
　　FPGA基本原理是在芯片内集成大量的数字电路基本门电路以及存储器，而用户可以通过烧入FPGA 配置文件来定义这些门电路以及存储器之间的连线。这种烧入不是一次性的，可重复编写定义，重复配置。
　　FPGA的内部结构如下图所示：
　　
　　FPGA的编程逻辑块（Programable Logic Blocks）中包含很多功能单元，由LUT（Look-up Table）、触发器组成。FPGA是直接通过这些门电路来实现用户的算法，没有通过指令系统的翻译，执行效率更高。
　　我们可以对比一下
　　CPU/GPU/NPU/FPGA各自的特点
　　
　　各芯片架构特点总结
　　/ CPU /
　　70%晶体管用来构建Cache，还有一部分控制单元，计算单元少，适合逻辑控制运算。
　　/ GPU /
　　晶体管大部分构建计算单元，运算复杂度低，适合大规模并行计算。主要应用于大数据、后台服务器、图像处理。
　　/ NPU /
　　在电路层模拟神经元，通过突触权重实现存储和计算一体化，一条指令完成一组神经元的处理，提高运行效率。主要应用于通信领域、大数据、图像处理。
　　/ FPGA /
　　可编程逻辑，计算效率高，更接近底层IO，通过冗余晶体管和连线实现逻辑可编辑。本质上是无指令、无需共享内存，计算效率比CPU、GPU高。主要应用于智能手机、便携式移动设备、汽车。
　　CPU作为最通用的部分，协同其他处理器完成着不同的任务。GPU适合深度学习中后台服务器大量数据训练、矩阵卷积运算。NPU、FPGA在性能、面积、功耗等方面有较大优势，能更好的加速神经网络计算。而FPGA的特点在于开发使用硬件描述语言，开发门槛相对GPU、NPU高。
　　可以说，每种处理器都有它的优势和不足，在不同的应用场景中，需要根据需求权衡利弊，选择合适的芯片。