2248
在科技日新月異的今天，計(jì)算力已成為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要驅(qū)動(dòng)力。
而在這片浩瀚的計(jì)算海洋中，CPU、GPU、ASIC與FPGA作為四大核心力量，各自扮演著不可替代的角色。
下面就由文檔君帶領(lǐng)大家深入探索這四種計(jì)算單元的奧秘。
1.CPU
CPU（中央處理器，Central Processing Unit），大家肯定已經(jīng)很熟悉了，作為計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。
CPU是馮●諾依曼架構(gòu)下的處理器，在該體系結(jié)構(gòu)下，指令和數(shù)據(jù)需要從同一存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線(xiàn)傳輸，無(wú)法重疊執(zhí)行。這一處理流程，決定了CPU擅長(zhǎng)決策和控制，但在多數(shù)據(jù)處理任務(wù)中效率較低。
一般來(lái)說(shuō)，CPU 算力的提升主要依靠?jī)蓚€(gè)方面，即時(shí)鐘頻率和內(nèi)核數(shù)。計(jì)算機(jī)的操作在時(shí)鐘信號(hào)的控制下分步執(zhí)行，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期完成一步操作，時(shí)鐘頻率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢。CPU內(nèi)核是CPU內(nèi)部可以執(zhí)行指令的單個(gè)處理單元。
通常來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘頻率越大、內(nèi)核數(shù)越多，CPU的性能越強(qiáng)，但這也就帶來(lái)了能耗過(guò)高，發(fā)熱過(guò)大的問(wèn)題，散熱跟不上，可能會(huì)導(dǎo)致CPU燒毀。
隨著 CPU 算力逐漸達(dá)到瓶頸，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的算力需求。算力發(fā)展的方向愈發(fā)轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯?，以尋求更高的性能、更低的能耗和成本?/p>
02.GPU
GPU（圖形處理器，Graphics Processing Unit），從名字就可以看出，GPU是主要負(fù)責(zé)做圖像和圖形相關(guān)運(yùn)算工作的處理器。
這里大家可能就要有疑問(wèn)了，為什么需要專(zhuān)門(mén)出現(xiàn)GPU來(lái)處理圖形工作，CPU為啥不可以？
這是因?yàn)镚PU是并行編程模型，和CPU的串行編程模型完全不同。由于圖形渲染任務(wù)具有高度的并行性，因此GPU可以?xún)H通過(guò)增加并行處理單元和存儲(chǔ)器控制單元，便可有效的提高處理能力和存儲(chǔ)器帶寬。
GPU和CPU的關(guān)系就如同很多小學(xué)生和一個(gè)大學(xué)教授，雖然大學(xué)教授學(xué)識(shí)更加淵博，可以處理一些比較繁雜的計(jì)算問(wèn)題，但是當(dāng)需要處理很多的簡(jiǎn)單計(jì)算時(shí)，一個(gè)大學(xué)教授的計(jì)算速度是不如一群小學(xué)生來(lái)的快的。
當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，GPU的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到科學(xué)計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。
03.ASIC
以上的CPU和GPU可以滿(mǎn)足通用場(chǎng)景的需求，但是隨著算力場(chǎng)景的逐漸細(xì)分，通用的算力芯片，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求，于是ASIC芯片開(kāi)始被逐漸應(yīng)用。
ASIC（專(zhuān)用集成電路，Application Specific Integrated Circuit），是為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成電路。
ASIC的設(shè)計(jì)完全針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，采用硬連線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)電路功能，在處理特定任務(wù)時(shí)能夠達(dá)到更高的效率和更低的能耗，因此在性能和效率方面達(dá)到了極致。
就好比服裝界的私人定制，私人定制的衣服往往更能滿(mǎn)足顧客的需求。雖然穿著T恤大褲衩也能去參加晚會(huì)，但畢竟是不合適的，選擇一套與場(chǎng)合相匹配的服飾，無(wú)疑能讓自己更加自信，也能更好地融入并享受這個(gè)特別的夜晚。
當(dāng)然，提到私人定制，第一時(shí)間想到的就是“貴”。ASIC的高定制性也意味著高研發(fā)成本和技術(shù)門(mén)檻。因?yàn)锳SIC芯片是為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的電路結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)，這通常需要高度專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。定制化設(shè)計(jì)的過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，增加了研發(fā)成本和技術(shù)門(mén)檻。且ASIC的靈活性較低，一旦設(shè)計(jì)完成便難以更改，在這個(gè)技術(shù)日益更新的時(shí)代很難占據(jù)更多市場(chǎng)。
因此，ASIC通常適用于那些對(duì)性能要求極高且需求相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用場(chǎng)景，如加密貨幣挖礦、高性能計(jì)算等。
04.FPGA
ASIC芯片一經(jīng)設(shè)計(jì)就不能更改，那么當(dāng)用戶(hù)有其他需求時(shí)該怎么辦？
這就不得不提到FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array），顧名思義，F(xiàn)PGA 是一種可編程集成電路，可由用戶(hù)配置以執(zhí)行特定任務(wù)。
相對(duì)于CPU和GPU的馮諾依曼結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA采用無(wú)指令、無(wú)需共享內(nèi)存設(shè)計(jì)，每個(gè)邏輯單元的功能在重編程時(shí)就已經(jīng)確定，使得FPGA的能效要比CPU和GPU高。
那么相對(duì)于ASIC，F(xiàn)PGA的性能如何呢，前面文檔君已經(jīng)說(shuō)過(guò)，AISC芯片屬于定制款，因此性能更強(qiáng)，能耗更低，但因?yàn)榧夹g(shù)門(mén)檻更高、設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng)，所以?xún)r(jià)格也更貴，但是當(dāng)需要大規(guī)模使用ASIC芯片時(shí)，成本會(huì)顯著降低。
而FPGA可以重構(gòu)，因此在靈活度上會(huì)有顯著提升。這其實(shí)和搭積木一樣，固定積木需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)→開(kāi)?！⑺苌a(chǎn)→裝飾上色→包裝，最后才能上市銷(xiāo)售。而智力積木只需要生產(chǎn)幾種不同的形狀與顏色的積木，就可以讓消費(fèi)者根據(jù)自己的想象和創(chuàng)意自行搭建了，缺點(diǎn)就是在搭積木的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生冗余，造成浪費(fèi)。
總結(jié)
CPU、GPU、FPGA與ASIC作為計(jì)算世界的四大基石，各自在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。它們各有千秋，共同推動(dòng)了科技的進(jìn)步和發(fā)展。
未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷變化，這四種計(jì)算單元將繼續(xù)演進(jìn)和融合，為我們帶來(lái)更加高效、靈活和智能的計(jì)算體驗(yàn)。讓我們共同期待這個(gè)充滿(mǎn)無(wú)限可能的計(jì)算時(shí)代的到來(lái)！
