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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出计算机组成原理/31 GPU（下）：为什么深度学习需要使用GPU？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>31 GPU（下）：为什么深度学习需要使用GPU？</h1>
<p>上一讲，我带你一起看了三维图形在计算机里的渲染过程。这个渲染过程，分成了顶点处理、图元处理、 栅格化、片段处理，以及最后的像素操作。这一连串的过程，也被称之为图形流水线或者渲染管线。</p>
<p>因为要实时计算渲染的像素特别地多，图形加速卡登上了历史的舞台。通过 3dFx 的 Voodoo 或者 NVidia 的 TNT 这样的图形加速卡，CPU 就不需要再去处理一个个像素点的图元处理、栅格化和片段处理这些操作。而 3D 游戏也是从这个时代发展起来的。</p>
<p>你可以看这张图，这是“古墓丽影”游戏的多边形建模的变化。这个变化，则是从 1996 年到 2016 年，这 20 年来显卡的进步带来的。</p>
<p><img src="assets/1d098ce5b2c779392c8d3a33636673c3.png" alt="img" /></p>
<p><a href="http://www.gamesgrabr.com/blog/2016/01/07/the-evolution-of-lara-croft/">图片来源</a></p>
<h2>Shader 的诞生和可编程图形处理器</h2>
<p>不知道你有没有发现，在 Voodoo 和 TNT 显卡的渲染管线里面，没有“顶点处理“这个步骤。在当时，把多边形的顶点进行线性变化，转化到我们的屏幕的坐标系的工作还是由 CPU 完成的。所以，CPU 的性能越好，能够支持的多边形也就越多，对应的多边形建模的效果自然也就越像真人。而 3D 游戏的多边形性能也受限于我们 CPU 的性能。无论你的显卡有多快，如果 CPU 不行，3D 画面一样还是不行。</p>
<p>所以，1999 年 NVidia 推出的 GeForce 256 显卡，就把顶点处理的计算能力，也从 CPU 里挪到了显卡里。不过，这对于想要做好 3D 游戏的程序员们还不够，即使到了 GeForce 256。整个图形渲染过程都是在硬件里面固定的管线来完成的。程序员们在加速卡上能做的事情呢，只有改配置来实现不同的图形渲染效果。如果通过改配置做不到，我们就没有什么办法了。</p>
<p>这个时候，程序员希望我们的 GPU 也能有一定的可编程能力。这个编程能力不是像 CPU 那样，有非常通用的指令，可以进行任何你希望的操作，而是在整个的<strong>渲染管线</strong>（Graphics Pipeline）的一些特别步骤，能够自己去定义处理数据的算法或者操作。于是，从 2001 年的 Direct3D 8.0 开始，微软第一次引入了<strong>可编程管线</strong>（Programable Function Pipeline）的概念。</p>
<p><img src="assets/2724f76ffa4222eae01521cd2dffd16d.jpeg" alt="img" /></p>
<p>早期的可编程管线的 GPU，提供了单独的顶点处理和片段处理（像素处理）的着色器</p>
<p>一开始的可编程管线呢，仅限于顶点处理（Vertex Processing）和片段处理（Fragment Processing）部分。比起原来只能通过显卡和 Direct3D 这样的图形接口提供的固定配置，程序员们终于也可以开始在图形效果上开始大显身手了。</p>
<p>这些可以编程的接口，我们称之为<strong>Shader</strong>，中文名称就是<strong>着色器</strong>。之所以叫“着色器”，是因为一开始这些“可编程”的接口，只能修改顶点处理和片段处理部分的程序逻辑。我们用这些接口来做的，也主要是光照、亮度、颜色等等的处理，所以叫着色器。</p>
<p>这个时候的 GPU，有两类 Shader，也就是 Vertex Shader 和 Fragment Shader。我们在上一讲看到，在进行顶点处理的时候，我们操作的是多边形的顶点；在片段操作的时候，我们操作的是屏幕上的像素点。对于顶点的操作，通常比片段要复杂一些。所以一开始，这两类 Shader 都是独立的硬件电路，也各自有独立的编程接口。因为这么做，硬件设计起来更加简单，一块 GPU 上也能容纳下更多的 Shader。</p>
<p>不过呢，大家很快发现，虽然我们在顶点处理和片段处理上的具体逻辑不太一样，但是里面用到的指令集可以用同一套。而且，虽然把 Vertex Shader 和 Fragment Shader 分开，可以减少硬件设计的复杂程度，但是也带来了一种浪费，有一半 Shader 始终没有被使用。在整个渲染管线里，Vertext Shader 运行的时候，Fragment Shader 停在那里什么也没干。Fragment Shader 在运行的时候，Vertext Shader 也停在那里发呆。</p>
<p>本来 GPU 就不便宜，结果设计的电路有一半时间是闲着的。喜欢精打细算抠出每一分性能的硬件工程师当然受不了了。于是，<strong>统一着色器架构</strong>（Unified Shader Architecture）就应运而生了。</p>
<p>既然大家用的指令集是一样的，那不如就在 GPU 里面放很多个一样的 Shader 硬件电路，然后通过统一调度，把顶点处理、图元处理、片段处理这些任务，都交给这些 Shader 去处理，让整个 GPU 尽可能地忙起来。这样的设计，就是我们现代 GPU 的设计，就是统一着色器架构。</p>
<p>有意思的是，这样的 GPU 并不是先在 PC 里面出现的，而是来自于一台游戏机，就是微软的 XBox 360。后来，这个架构才被用到 ATI 和 NVidia 的显卡里。这个时候的“着色器”的作用，其实已经和它的名字关系不大了，而是变成了一个通用的抽象计算模块的名字。</p>
<p>正是因为 Shader 变成一个“通用”的模块，才有了把 GPU 拿来做各种通用计算的用法，也就是<strong>GPGPU</strong>（General-Purpose Computing on Graphics Processing Units，通用图形处理器）。而正是因为 GPU 可以拿来做各种通用的计算，才有了过去 10 年深度学习的火热。</p>
<p><img src="assets/dab4ed01f50995d82e6e5d970b54c693.jpeg" alt="img" /></p>
<h2>现代 GPU 的三个核心创意</h2>
<p>讲完了现代 GPU 的进化史，那么接下来，我们就来看看，为什么现代的 GPU 在图形渲染、深度学习上能那么快。</p>
<h3>芯片瘦身</h3>
<p>我们先来回顾一下，之前花了很多讲仔细讲解的现代 CPU。现代 CPU 里的晶体管变得越来越多，越来越复杂，其实已经不是用来实现“计算”这个核心功能，而是拿来实现处理乱序执行、进行分支预测，以及我们之后要在存储器讲的高速缓存部分。</p>
<p>而在 GPU 里，这些电路就显得有点多余了，GPU 的整个处理过程是一个<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Stream_processing">流式处理</a>（Stream Processing）的过程。因为没有那么多分支条件，或者复杂的依赖关系，我们可以把 GPU 里这些对应的电路都可以去掉，做一次小小的瘦身，只留下取指令、指令译码、ALU 以及执行这些计算需要的寄存器和缓存就好了。一般来说，我们会把这些电路抽象成三个部分，就是下面图里的取指令和指令译码、ALU 和执行上下文。</p>
<p><img src="assets/4c153ac45915fbf3985d24b092894b9d.jpeg" alt="img" /></p>
<h3>多核并行和 SIMT</h3>
<p>这样一来，我们的 GPU 电路就比 CPU 简单很多了。于是，我们就可以在一个 GPU 里面，塞很多个这样并行的 GPU 电路来实现计算，就好像 CPU 里面的多核 CPU 一样。和 CPU 不同的是，我们不需要单独去实现什么多线程的计算。因为 GPU 的运算是天然并行的。</p>
<p><img src="assets/3d0859652adf9e3c0305e8e8517b47ac.jpeg" alt="img" /></p>
<p>我们在上一讲里面其实已经看到，无论是对多边形里的顶点进行处理，还是屏幕里面的每一个像素进行处理，每个点的计算都是独立的。所以，简单地添加多核的 GPU，就能做到并行加速。不过光这样加速还是不够，工程师们觉得，性能还有进一步被压榨的空间。</p>
<p>我们在<a href="https://time.geekbang.org/column/article/103433">第 27 讲</a>里面讲过，CPU 里有一种叫作 SIMD 的处理技术。这个技术是说，在做向量计算的时候，我们要执行的指令是一样的，只是同一个指令的数据有所不同而已。在 GPU 的渲染管线里，这个技术可就大有用处了。</p>
<p>无论是顶点去进行线性变换，还是屏幕上临近像素点的光照和上色，都是在用相同的指令流程进行计算。所以，GPU 就借鉴了 CPU 里面的 SIMD，用了一种叫作<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Single_instruction,_multiple_threads">SIMT</a>（Single Instruction，Multiple Threads）的技术。SIMT 呢，比 SIMD 更加灵活。在 SIMD 里面，CPU 一次性取出了固定长度的多个数据，放到寄存器里面，用一个指令去执行。而 SIMT，可以把多条数据，交给不同的线程去处理。</p>
<p>各个线程里面执行的指令流程是一样的，但是可能根据数据的不同，走到不同的条件分支。这样，相同的代码和相同的流程，可能执行不同的具体的指令。这个线程走到的是 if 的条件分支，另外一个线程走到的就是 else 的条件分支了。</p>
<p>于是，我们的 GPU 设计就可以进一步进化，也就是在取指令和指令译码的阶段，取出的指令可以给到后面多个不同的 ALU 并行进行运算。这样，我们的一个 GPU 的核里，就可以放下更多的 ALU，同时进行更多的并行运算了。</p>
<p><img src="assets/3d7ce9c053815f6a32a6fbf6f7fb9628.jpeg" alt="img" /></p>
<h3>GPU 里的“超线程”</h3>
<p>虽然 GPU 里面的主要以数值计算为主。不过既然已经是一个“通用计算”的架构了，GPU 里面也避免不了会有 if…else 这样的条件分支。但是，在 GPU 里我们可没有 CPU 这样的分支预测的电路。这些电路在上面“芯片瘦身”的时候，就已经被我们砍掉了。</p>
<p>所以，GPU 里的指令，可能会遇到和 CPU 类似的“流水线停顿”问题。想到流水线停顿，你应该就能记起，我们之前在 CPU 里面讲过超线程技术。在 GPU 上，我们一样可以做类似的事情，也就是遇到停顿的时候，调度一些别的计算任务给当前的 ALU。</p>
<p>和超线程一样，既然要调度一个不同的任务过来，我们就需要针对这个任务，提供更多的<strong>执行上下文</strong>。所以，一个 Core 里面的<strong>执行上下文</strong>的数量，需要比 ALU 多。</p>
<p><img src="assets/c971c34e0456dea9e4a87857880bb5b8.jpeg" alt="img" /></p>
<h2>GPU 在深度学习上的性能差异</h2>
<p>在通过芯片瘦身、SIMT 以及更多的执行上下文，我们就有了一个更擅长并行进行暴力运算的 GPU。这样的芯片，也正适合我们今天的深度学习的使用场景。</p>
<p>一方面，GPU 是一个可以进行“通用计算”的框架，我们可以通过编程，在 GPU 上实现不同的算法。另一方面，现在的深度学习计算，都是超大的向量和矩阵，海量的训练样本的计算。整个计算过程中，没有复杂的逻辑和分支，非常适合 GPU 这样并行、计算能力强的架构。</p>
<p>我们去看 NVidia 2080 显卡的<a href="https://www.techpowerup.com/gpu-specs/geforce-rtx-2080.c3224">技术规格</a>，就可以算出，它到底有多大的计算能力。</p>
<p>2080 一共有 46 个 SM（Streaming Multiprocessor，流式处理器），这个 SM 相当于 GPU 里面的 GPU Core，所以你可以认为这是一个 46 核的 GPU，有 46 个取指令指令译码的渲染管线。每个 SM 里面有 64 个 Cuda Core。你可以认为，这里的 Cuda Core 就是我们上面说的 ALU 的数量或者 Pixel Shader 的数量，46x64 呢一共就有 2944 个 Shader。然后，还有 184 个 TMU，TMU 就是 Texture Mapping Unit，也就是用来做纹理映射的计算单元，它也可以认为是另一种类型的 Shader。</p>
<p><img src="assets/14d05a43f559cecff2b0813e8d5bdde2.png" alt="img" /></p>
<p><a href="https://www.anandtech.com/show/13282/nvidia-turing-architecture-deep-dive/7">图片来源</a></p>
<p>2080 Super 显卡有 48 个 SM，比普通版的 2080 多 2 个。每个 SM（SM 也就是 GPU Core）里有 64 个 Cuda Core，也就是 Shader</p>
<p>2080 的主频是 1515MHz，如果自动超频（Boost）的话，可以到 1700MHz。而 NVidia 的显卡，根据硬件架构的设计，每个时钟周期可以执行两条指令。所以，能做的浮点数运算的能力，就是：</p>
<p>（2944 + 184）× 1700 MHz × 2 = 10.06 TFLOPS</p>
<p>对照一下官方的技术规格，正好就是 10.07TFLOPS。</p>
<p>那么，最新的 Intel i9 9900K 的性能是多少呢？不到 1TFLOPS。而 2080 显卡和 9900K 的价格却是差不多的。所以，在实际进行深度学习的过程中，用 GPU 所花费的时间，往往能减少一到两个数量级。而大型的深度学习模型计算，往往又是多卡并行，要花上几天乃至几个月。这个时候，用 CPU 显然就不合适了。</p>
<p>今天，随着 GPGPU 的推出，GPU 已经不只是一个图形计算设备，更是一个用来做数值计算的好工具了。同样，也是因为 GPU 的快速发展，带来了过去 10 年深度学习的繁荣。</p>
<h2>总结延伸</h2>
<p>这一讲里面，我们讲了，GPU 一开始是没有“可编程”能力的，程序员们只能够通过配置来设计需要用到的图形渲染效果。随着“可编程管线”的出现，程序员们可以在顶点处理和片段处理去实现自己的算法。为了进一步去提升 GPU 硬件里面的芯片利用率，微软在 XBox 360 里面，第一次引入了“统一着色器架构”，使得 GPU 变成了一个有“通用计算”能力的架构。</p>
<p>接着，我们从一个 CPU 的硬件电路出发，去掉了对 GPU 没有什么用的分支预测和乱序执行电路，来进行瘦身。之后，基于渲染管线里面顶点处理和片段处理就是天然可以并行的了。我们在 GPU 里面可以加上很多个核。</p>
<p>又因为我们的渲染管线里面，整个指令流程是相同的，我们又引入了和 CPU 里的 SIMD 类似的 SIMT 架构。这个改动，进一步增加了 GPU 里面的 ALU 的数量。最后，为了能够让 GPU 不要遭遇流水线停顿，我们又在同一个 GPU 的计算核里面，加上了更多的执行上下文，让 GPU 始终保持繁忙。</p>
<p>GPU 里面的多核、多 ALU，加上多 Context，使得它的并行能力极强。同样架构的 GPU，如果光是做数值计算的话，算力在同样价格的 CPU 的十倍以上。而这个强大计算能力，以及“统一着色器架构”，使得 GPU 非常适合进行深度学习的计算模式，也就是海量计算，容易并行，并且没有太多的控制分支逻辑。</p>
<p>使用 GPU 进行深度学习，往往能够把深度学习算法的训练时间，缩短一个，乃至两个数量级。而 GPU 现在也越来越多地用在各种科学计算和机器学习上，而不仅仅是用在图形渲染上了。</p>
<h2>推荐阅读</h2>
<p>关于现代 GPU 的工作原理，你可以仔细阅读一下 haifux.org 上的这个<a href="http://haifux.org/lectures/267/Introduction-to-GPUs.pdf">PPT</a>，里面图文并茂地解释了现代 GPU 的架构设计的思路。</p>
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