本文來自微信公眾號(hào)“數(shù)據(jù)猿”，作者/一蓑煙雨。
想象一下，你在一個(gè)巨大的迷宮里尋找出口，這個(gè)迷宮復(fù)雜到足以讓最聰明的大腦也迷失方向。這個(gè)迷宮，就像是當(dāng)今世界中的數(shù)據(jù)海洋，而找到出口的鑰匙，就是AI。但是，要讓AI真正發(fā)揮作用，我們需要一種特殊的“超級(jí)望遠(yuǎn)鏡”，可以快速地、準(zhǔn)確地穿透這個(gè)復(fù)雜的迷宮，找到隱藏在其中的寶藏。這個(gè)“望遠(yuǎn)鏡”，就是我們今天要深入討論的——GPU、ASIC，以及基于此整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)的變革。
從CPU到GPU，是一場計(jì)算哲學(xué)的演進(jìn)
在人工智能成為家喻戶曉的技術(shù)之前，計(jì)算機(jī)科學(xué)界已經(jīng)有了一個(gè)長久以來的好朋友——馮·諾依曼架構(gòu)。這種架構(gòu)由匈牙利數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼在上個(gè)世紀(jì)40年代提出，至今仍是大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在這個(gè)架構(gòu)下，CPU扮演著絕對(duì)主角的角色，它負(fù)責(zé)讀取并執(zhí)行存儲(chǔ)在內(nèi)存中的指令。你可以將其想象為一位指揮家，指揮著計(jì)算機(jī)中的各種操作和處理任務(wù)。
然而，隨著時(shí)間的推移，人們開始意識(shí)到這位老朋友在處理某些特定任務(wù)時(shí)，尤其是在人工智能領(lǐng)域，表現(xiàn)得并不盡如人意。原因在于，AI任務(wù)，特別是深度學(xué)習(xí)，需要大量的并行計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力。而傳統(tǒng)的CPU設(shè)計(jì)更側(cè)重于順序執(zhí)行任務(wù)，每次只能處理少量任務(wù)。這就好比是讓一位廚師同時(shí)準(zhǔn)備百桌宴會(huì)的餐點(diǎn)，雖然他技藝高超，但面對(duì)海量的工作量，效率自然大打折扣。
正是在這個(gè)背景下，智能計(jì)算架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，以滿足日益增長的并行處理需求。在這個(gè)新的架構(gòu)中，GPU（圖形處理單元）和ASIC（應(yīng)用特定集成電路）等硬件成為了新的明星。GPU最初被設(shè)計(jì)用于加速圖形和視頻處理，但其內(nèi)部成百上千的核心能夠同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)，使其成為執(zhí)行并行計(jì)算的理想選擇。
ASIC則是為了滿足特定應(yīng)用需求而生的硬件解決方案，它們?cè)趫?zhí)行某些特定類型的計(jì)算任務(wù)時(shí)，比通用硬件（如CPU或GPU）更加高效。在人工智能領(lǐng)域，比如谷歌的TPU（張量處理單元），就是一種專為深度學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)的ASIC，其設(shè)計(jì)哲學(xué)是最大限度地提高特定任務(wù)的計(jì)算效率和速度。
隨著GPU和ASIC等硬件的發(fā)展，我們不僅見證了計(jì)算架構(gòu)的革命，也看到了這些技術(shù)如何推動(dòng)人工智能從理論走向?qū)嵺`的進(jìn)程。這種設(shè)計(jì)哲學(xué)的轉(zhuǎn)變，從注重通用計(jì)算能力轉(zhuǎn)向滿足特定計(jì)算需求的高效能，不僅加速了AI應(yīng)用的研發(fā)和部署，也大大擴(kuò)展了AI技術(shù)的應(yīng)用場景。我們現(xiàn)在能夠訓(xùn)練比以往任何時(shí)候都要復(fù)雜的模型，處理從自然語言處理到計(jì)算機(jī)視覺等多個(gè)領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)，這一切都得益于智能計(jì)算架構(gòu)的進(jìn)步。
并行處理，是這場演進(jìn)的關(guān)鍵
那么，為什么現(xiàn)在GPU變得這么重要呢，以至于英偉達(dá)市值突破兩萬億美元，是上一代霸主英特爾的10倍以上？這就要從人工智能和GPU的數(shù)據(jù)處理方式說起，來從更本質(zhì)上來分析為什么GPU跟人工智能如此般配。
在探討為什么GPU特別適合AI任務(wù)之前，讓我們先了解一下傳統(tǒng)計(jì)算與智能計(jì)算在數(shù)據(jù)處理方式上的根本差異，以及并行處理能力為何如此重要。
傳統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)，比如文字處理或者網(wǎng)頁瀏覽，往往依賴于線性處理流程。你可以把它想象成在廚房做飯：一步接一步，切完菜才能開始炒。這種方式在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)很有效，因?yàn)樗ＷC了任務(wù)的順序性和邏輯性。然而，當(dāng)我們轉(zhuǎn)向AI領(lǐng)域，比如圖像識(shí)別或自然語言處理，數(shù)據(jù)處理的需求就完全不同了。這時(shí)，我們面對(duì)的是大量的數(shù)據(jù)需要同時(shí)分析，就像是要一次性照顧好廚房里的上百個(gè)炒鍋，每個(gè)都要保證溫度和時(shí)間恰到好處。
并行處理技術(shù)正是為了解決這類問題而生，與線性處理一步步來不同，它允許多個(gè)處理任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。這不僅大幅提高了處理速度，也極大地提升了效率。在AI任務(wù)中，這種能力是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈兺ǔＩ婕暗降臄?shù)據(jù)量巨大，且需要在短時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析和處理。
GPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是它適應(yīng)并行處理的關(guān)鍵，不同于CPU通常只有幾個(gè)核心，GPU擁有成百上千個(gè)核心，可以同時(shí)執(zhí)行大量的運(yùn)算任務(wù)。這就像是將一個(gè)巨大的辦公室從只有幾個(gè)工作人員變成了擁有成百上千個(gè)工作人員，每個(gè)人都在同時(shí)處理一個(gè)小任務(wù)，最終迅速完成整個(gè)項(xiàng)目。這種結(jié)構(gòu)使得GPU在處理圖像渲染、視頻編輯等大量數(shù)據(jù)并行處理的任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出色，而這正是AI領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的場景。
舉個(gè)例子，深度學(xué)習(xí)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這涉及到大量的矩陣運(yùn)算。在這個(gè)過程中，GPU的并行處理能力可以同時(shí)計(jì)算成千上萬個(gè)神經(jīng)元的輸出，極大地加快了學(xué)習(xí)過程。這與CPU相比，后者在處理這類任務(wù)時(shí)可能需要更長的時(shí)間，因?yàn)樗鼈兏瞄L于處理需要連續(xù)邏輯和高級(jí)決策的任務(wù)，而不是大規(guī)模的并行數(shù)據(jù)處理。
GPU之所以在AI任務(wù)，尤其是深度學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出色，還在于它們對(duì)于矩陣和向量計(jì)算的高效率。深度學(xué)習(xí)算法大量依賴這類計(jì)算，GPU設(shè)計(jì)之初就考慮到了這一點(diǎn)，優(yōu)化了相關(guān)的硬件和軟件，以支持這些操作的高效執(zhí)行。隨著AI技術(shù)的發(fā)展，對(duì)計(jì)算資源的需求也在不斷增長，GPU能夠提供這種需求所必需的可擴(kuò)展性和靈活性。
此外，GPU的發(fā)展促進(jìn)了新的編程模型和算法的出現(xiàn)，這些都是專門為并行計(jì)算和高效率計(jì)算設(shè)計(jì)的?？蚣苋缬ミ_(dá)的CUDA，允許開發(fā)者直接利用GPU的強(qiáng)大計(jì)算能力，而不必深入了解底層的復(fù)雜機(jī)制。這種易于訪問和使用的特性，使得GPU成為AI研究和開發(fā)的首選硬件平臺(tái)。
總的來說，GPU在AI任務(wù)中的關(guān)鍵作用不僅僅是因?yàn)樗鼈儚?qiáng)大的并行處理能力，還因?yàn)樗鼈儗?duì)于AI領(lǐng)域至關(guān)重要的操作——如矩陣和向量運(yùn)算——提供了優(yōu)化和高效的執(zhí)行。這使得GPU成為驅(qū)動(dòng)當(dāng)今AI革命的核心技術(shù)之一，無論是在科研界還是工業(yè)界，GPU都被廣泛應(yīng)用于加速AI的發(fā)展。
整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)從此不同了
需要指出的是，我們目前正處在整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，GPU技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用不僅僅改變了硬件制造的面貌，也深刻影響了軟件開發(fā)和云計(jì)算服務(wù)的格局，從而對(duì)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)造成了顯著的影響。
隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)、和大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)GPU的需求呈現(xiàn)出前所未有的增長趨勢(shì)。這種需求的增長不僅推動(dòng)了硬件制造商不斷創(chuàng)新，以設(shè)計(jì)出更高效、更強(qiáng)大的GPU，同時(shí)也促使了新玩家的加入和投資的增加。這一切不僅促進(jìn)了硬件技術(shù)的革新，也帶動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，加速了計(jì)算能力的普及和應(yīng)用的擴(kuò)展。
傳統(tǒng)的編程模型和工具往往無法充分利用GPU的并行計(jì)算能力，這就促使了新的編程模型和工具的出現(xiàn)。例如，英偉達(dá)的CUDA編程平臺(tái)就是專門為GPU設(shè)計(jì)的，此外，深度學(xué)習(xí)框架如TensorFlow和PyTorch也提供了對(duì)GPU加速的支持，使得開發(fā)者能夠更容易地構(gòu)建和訓(xùn)練復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。
這種針對(duì)GPU優(yōu)化的編程工具和框架的發(fā)展，不僅降低了開發(fā)門檻，使得更多的研究者和開發(fā)者能夠利用GPU進(jìn)行科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)，還推動(dòng)了編程范式的變革?，F(xiàn)在，開發(fā)者在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，更加注重軟件能夠充分利用硬件資源，尤其是GPU的并行處理能力，從而實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。
隨著GPU加速計(jì)算能力的增強(qiáng)，云服務(wù)提供商紛紛將GPU集成到其服務(wù)中，提供GPU加速的云計(jì)算服務(wù)。這使得即使是沒有高性能計(jì)算硬件的小型企業(yè)和個(gè)人開發(fā)者，也能通過云服務(wù)獲得必要的計(jì)算資源，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。GPU加速的云服務(wù)不僅降低了AI項(xiàng)目的門檻，還提高了計(jì)算的靈活性和可擴(kuò)展性，使得計(jì)算資源可以根據(jù)需求快速調(diào)整。
此外，GPU加速云服務(wù)的興起還促進(jìn)了新型業(yè)務(wù)模式的發(fā)展，如AI分析平臺(tái)、在線深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái)等，這些服務(wù)讓用戶能夠更加靈活和經(jīng)濟(jì)高效地利用GPU資源，推動(dòng)了AI技術(shù)的普及和應(yīng)用。
綜上所述，GPU技術(shù)對(duì)計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)的影響深遠(yuǎn)且全面。它不僅推動(dòng)了硬件制造的創(chuàng)新，也催生了新的軟件開發(fā)模式和編程工具，更重要的是，它通過云計(jì)算服務(wù)，使得高性能計(jì)算資源變得更加普及和可獲取，為AI技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力和廣闊的應(yīng)用空間。
文：一蓑煙雨/數(shù)據(jù)猿
責(zé)編：凝視深空/數(shù)據(jù)猿
