【三分钟搞懂CPU, GPU, FPGA计算能力】

背景

现在AI火热，带动了异构计算的发展，让GPU, FPGA这类加速芯片从辅助设备逐步进入了主流计算设备的行列，开始挑战传统CPU的绝对统治地位，那么我们为什么经常听说GPU, FPGA相对于CPU计算能力要强的多，原因是为什么呢？

芯片设计

CPU在芯片设计上，绝大部分空间其实并不属于ALU(算数逻辑单元）。CPU作为通用处理器，除了满足计算要求，为了更好的响应人机交互的应用，它要能处理复杂的条件和分支，以及任务之间的同步协调，所以芯片上需要很多空间来实现分支预测与优化(control), 保存各种状态(cache)以降低任务切换时的延时。

GPU则走了一个极端，它在芯片设计上突出计算输出最大化，几乎将所有的空间都给了ALU，所以对于AI，HPC，图形渲染这样简单粗暴的浮点矩阵运算，GPU的优势肯定就非常明显了。

峰值浮点

CPU

一颗E5 2680 V4, 14核心，3G左右频率，那么其峰值浮点能力为3X14x32(32是V4处理器支持SIMD的速算因子，即一个时钟周期内能做32次浮点计算）= 1.34Tflops.

Intel V3 Haswell架构处理器，支持AVX256, 即每个时钟周期能做(256/32)x2=16次单精度浮点，x2是因为每个时钟CPU能同时发出一次加法和一次乘法指令。

Intel V4 Broadwell支持FMA（融合乘加）指令，即a*b+c, 所以再x2=32。

Intel V5 Skylake支持AVX512, 所以再x2=64。

GPU

比如是Tesla P100, 3584个cuda core, 核心频率大概是1.5G左右，那么其峰值浮点能力为3584×1.5×2(2是GPU的FMA速算因子）= 10Tflops左右，即使是便宜多的Tesla P4, 峰值浮点也能到5Tflops。

FPGA

比如xilinx的ultrascale, 我查了下，它有1,440 个DSP based加法器，频率为 0.5G，还有6,743个Logic based的加法器，频率为0.6G，1440×0.5+6743×0.6=4.5Tflops。

价格上看, 大概可以认为，E5 2680 V4 = Tesla P4 = xilinx ultrascale，所以很清楚了。。

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