GPU 在加速人工智能中的作用

虽然CPU处理AI管线的核心序列任务，但模型训练的繁重计算几乎总是由另一种处理器完成：图形处理器（GPU）。GPU最初用于渲染视频游戏中的3D图形，但其架构已被证实非常适合深度学习的数学运算。原因是其大规模并行性。

吞吐量架构

CPU旨在低延迟执行多种任务。它包含少量高性能核心，每个核心都能够执行复杂指令并做出精密判断，以加速单个执行线程。可以将其想象成一小队资深厨师，每位厨师都能快速地从头到尾准备一整套多道菜肴。

相比之下，GPU旨在高吞吐量计算。它包含数千个更小、更简单的核心，这些核心单个能力较弱，但可以同步处理同一个问题。这不像一队资深厨师，更像一个大型厨房流水线，数千名厨师每人执行一项简单、重复的任务，例如同时切数千个洋葱。这种架构方式有时被称为单指令多数据（SIMD）。

CPU与GPU架构对比图。CPU将更多硅片用于复杂的控制逻辑和缓存，以支持更少但更强大的核心。GPU则将其大部分硅片用于大量的简单算术核心，并连接到专用、高带宽的内存。

神经网络运算加速

深度学习模型由人工神经元层构成，这些层内的计算主要由几种数学运算组成，这些运算在大型数据张量上反复执行。最常见的是矩阵乘法。

在模型的前向传播过程中，输入数据在每一层都与一个权重矩阵相乘。这可以表示为：

$$\text{输出} = \text{激活}(\text{输入} \cdot \text{权重} + \text{偏置})$$

输出矩阵中的每个元素都是点积的结果，这种运算独立于其他任何元素的计算。GPU可以将其数千个核心分配给数千个小而独立的点积计算，同时执行所有计算。CPU则需要以更序列化的方式执行这些计算，使用其少量高性能核心逐一或小批量处理这些操作。这种固有的并行性使GPU在处理神经网络层时比CPU快数个数量级。

人工智能的重要硬件特点

并非所有GPU都相同。选择用于AI工作负载的GPU时，某些特点特别重要：

• 计算核心： 这些是基本的处理单元。在NVIDIA GPU中，它们被称为CUDA核心。GPU拥有的核心越多，能执行的并行操作就越多。
• 张量核心： 在NVIDIA的Volta架构中引入，张量核心是旨在加速一种特定运算的专用硬件单元：矩阵乘加运算（MAC）。这种运算是深度学习的核心。张量核心可以在单个时钟周期内对4x4矩阵执行融合乘加运算，为训练和推理都提供了显著加速，尤其在使用FP16等混合精度格式时。
• 内存带宽： GPU的核心只有在有数据输入时才有用。GPU使用自己的专用高速内存，通常称为VRAM。现代面向AI的GPU使用高带宽内存（HBM），它提供了极宽的内存接口。这种高带宽对于确保数千个核心持续获得数据供应是必要的，并防止它们闲置，这种情况被称为内存饥饿。

软件层：CUDA 和 cuDNN

如果没有软件层管理，GPU的原始算力将无法使用。NVIDIA的CUDA平台便在此发挥作用。CUDA（Compute Unified Device Architecture）是一个并行计算平台和编程模型，允许开发人员使用类C语言编写GPU程序。

然而，大多数数据科学家和机器学习工程师并不编写低级CUDA代码。他们转而使用TensorFlow和PyTorch等深度学习框架。这些框架又依赖于高度优化的库，例如NVIDIA CUDA 深度神经网络库 (cuDNN)。

cuDNN是一个GPU加速的深度神经网络基元库。它为标准例程提供优化实现，例如：

• 卷积
• 池化
• 归一化
• 激活函数

当你编写一行PyTorch代码来定义一个卷积层时，cuDNN会高效地在GPU硬件上执行该操作。这种抽象让开发人员能够从GPU获得最大性能，而无需成为并行编程专家。这种大规模并行硬件和成熟软件栈的组合，使GPU成为进行认真深度学习任务的首选。