GPU、CPU：不止一字之差那么簡單

1. 引言

　　自1999年NVIDIA提出GPU的概念以來，GPU的高浮點(diǎn)運(yùn)算能力引發(fā)了不少的話題，比如GPU將取代CPU?；贕PU的特殊性，研究人員正在從事相關(guān)方面的研究，以期充分地利用GPU高運(yùn)算速度。

　　隨著計(jì)算機(jī)圖形處理硬件的又一次升級(jí)，即計(jì)算機(jī)圖形處理器的升級(jí)。圖形處理器的應(yīng)用已成為熱門的課題。

　　2. GPU的功能

　　GPU（Graphic ProcessingUnit）即圖形處理器。1999年NVIDIA公司發(fā)布GeForce 256圖形處理芯片時(shí)，首先提出GPU的概念。一塊標(biāo)準(zhǔn)的GPU主要包括2D單元、3D單元、視頻處理單元、FSAA（Full Scene Anti—aliasing，全景抗鋸齒）單元和顯存管理單元等。

　　它設(shè)計(jì)的宗旨是實(shí)現(xiàn)圖形加速，現(xiàn)在最主要的是實(shí)現(xiàn)3D圖形加速，因此它的設(shè)計(jì)基本上是為3D圖形加速的相關(guān)運(yùn)算來優(yōu)化的，如消隱、紋理映射、圖形的坐標(biāo)位置變換與光照計(jì)算等等。這幾年GPU發(fā)展迅猛，2007年NVIDIA甚至提出“重GPU核心，輕CPU頻率”的論調(diào)。這是否意味著GPU時(shí)代的到來？

　　3. GPU與CPU的比較

　　GPU以其高速的浮點(diǎn)運(yùn)算能力迅速地吸引了人們的眼球。

　　其計(jì)算能力到底有多大？CPU的浮點(diǎn)運(yùn)算能力一般在10 Gflops以下（每秒可進(jìn)行10億次浮點(diǎn)運(yùn)算），而GeForce6系列的浮點(diǎn)運(yùn)算能力已經(jīng)在40 Gflops左右，GeForce7950GX2更是達(dá)到了384Gflops；在向量計(jì)算方面能夠獲得比CPU高出十倍的計(jì)算效率。

　　這得益于它是對(duì)圖形處理量身定制。GPU并行計(jì)算的能力更是強(qiáng)大，它內(nèi)部具有快速存儲(chǔ)系統(tǒng)，NVIDIA的8800有128個(gè)處理器，此外，GPU的硬件設(shè)計(jì)能夠管理數(shù)千個(gè)并行線程，這數(shù)千個(gè)線程全部由GPU創(chuàng)建和管理而不需要開發(fā)人員進(jìn)行任何編程與管理。然而，現(xiàn)在GPU還是協(xié)助CPU進(jìn)行圖形處理，著實(shí)浪費(fèi)不少其運(yùn)算能力。

　　值得注意的是，如此強(qiáng)大的計(jì)算能力具有針對(duì)性———圖形計(jì)算，如Z- buffering、紋理映射與光照計(jì)算等。這類計(jì)算都是針對(duì)大量的平行數(shù)據(jù)，運(yùn)算的數(shù)據(jù)量大，但是運(yùn)算的類型卻并不復(fù)雜，還具有類似性，計(jì)算性強(qiáng)但是邏輯性不強(qiáng)，如矩陣運(yùn)算就是圖形運(yùn)算的典型特征。而CPU是設(shè)計(jì)用來處理通用任務(wù)的處理、加工、運(yùn)算以及系統(tǒng)核心控制等工作，CPU的微架構(gòu)是為高效率處理數(shù)據(jù)相關(guān)性不大的計(jì)算類、復(fù)雜繁瑣的非計(jì)算類等工作而優(yōu)化的。所以現(xiàn)在CPU和GPU還在自己的軌道上各司其職。

　　GPU特殊的硬件架構(gòu)突出了對(duì)CPU的優(yōu)勢：擁有高帶寬的獨(dú)立顯存；浮點(diǎn)運(yùn)算性能高；幾何處理能力強(qiáng)；適合處理并行計(jì)算任務(wù)；適合進(jìn)行重復(fù)計(jì)算；適合圖像或視頻處理任務(wù)；能夠大幅度降低系統(tǒng)成本。