一文搞懂CPU、GPU、ASIC和FPGA

在科技日新月異的今天，計算力已成為推動社會進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級的重要驅(qū)動力。

而在這片浩瀚的計算海洋中，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)需要從同一存儲空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，無法重疊執(zhí)行。這一處理流程，決定了CPU擅長決策和控制，但在多數(shù)據(jù)處理任務(wù)中效率較低。

一般來說，CPU 算力的提升主要依靠兩個方面，即時鐘頻率和內(nèi)核數(shù)。計算機(jī)的操作在時鐘信號的控制下分步執(zhí)行，每個時鐘信號周期完成一步操作，時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)行指令的單個處理單元。

通常來說，時鐘頻率越大、內(nèi)核數(shù)越多，CPU的性能越強(qiáng)，但這也就帶來了能耗過高，發(fā)熱過大的問題，散熱跟不上，可能會導(dǎo)致CPU燒毀。

隨著 CPU 算力逐漸達(dá)到瓶頸，越來越無法滿足指數(shù)級增長的算力需求。算力發(fā)展的方向愈發(fā)轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯裕詫で蟾叩男阅?、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了，為什么需要專門出現(xiàn)GPU來處理圖形工作，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可以僅通過增加并行處理單元和存儲器控制單元，便可有效的提高處理能力和存儲器帶寬。

GPU和CPU的關(guān)系就如同很多小學(xué)生和一個大學(xué)教授，雖然大學(xué)教授學(xué)識更加淵博，可以處理一些比較繁雜的計算問題，但是當(dāng)需要處理很多的簡單計算時，一個大學(xué)教授的計算速度是不如一群小學(xué)生來的快的。

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可以滿足通用場景的需求，但是隨著算力場景的逐漸細(xì)分，通用的算力芯片，已經(jīng)無法滿足用戶需求，于是ASIC芯片開始被逐漸應(yīng)用。

ASIC（專用集成電路，Application Specific Integrated Circuit），是為特定應(yīng)用而設(shè)計的集成電路。

ASIC的設(shè)計完全針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，采用硬連線方式實(shí)現(xiàn)電路功能，在處理特定任務(wù)時能夠達(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足顧客的需求。雖然穿著T恤大褲衩也能去參加晚會，但畢竟是不合適的，選擇一套與場合相匹配的服飾，無疑能讓自己更加自信，也能更好地融入并享受這個特別的夜晚。

當(dāng)然，提到私人定制，第一時間想到的就是“貴”。ASIC的高定制性也意味著高研發(fā)成本和技術(shù)門檻。因?yàn)锳SIC芯片是為特定應(yīng)用而設(shè)計的，需要進(jìn)行專門的電路結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計，這通常需要高度專業(yè)化的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。定制化設(shè)計的過程復(fù)雜且耗時，增加了研發(fā)成本和技術(shù)門檻。且ASIC的靈活性較低，一旦設(shè)計完成便難以更改，在這個技術(shù)日益更新的時代很難占據(jù)更多市場。

因此，ASIC通常適用于那些對性能要求極高且需求相對穩(wěn)定的應(yīng)用場景，如加密貨幣挖礦、高性能計算等。

04.FPGA

ASIC芯片一經(jīng)設(shè)計就不能更改，那么當(dāng)用戶有其他需求時該怎么辦？

這就不得不提到FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array），顧名思義，F(xiàn)PGA 是一種可編程集成電路，可由用戶配置以執(zhí)行特定任務(wù)。

相對于CPU和GPU的馮諾依曼結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA采用無指令、無需共享內(nèi)存設(shè)計，每個邏輯單元的功能在重編程時就已經(jīng)確定，使得FPGA的能效要比CPU和GPU高。

那么相對于ASIC，F(xiàn)PGA的性能如何呢，前面文檔君已經(jīng)說過，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)門檻更高、設(shè)計周期更長，所以價格也更貴，但是當(dāng)需要大規(guī)模使用ASIC芯片時，成本會顯著降低。

而FPGA可以重構(gòu)，因此在靈活度上會有顯著提升。這其實(shí)和搭積木一樣，固定積木需要經(jīng)過設(shè)計→開模→注塑生產(chǎn)→裝飾上色→包裝，最后才能上市銷售。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)就是在搭積木的過程中會產(chǎn)生冗余，造成浪費(fèi)。

總結(jié)

CPU、GPU、FPGA與ASIC作為計算世界的四大基石，各自在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。它們各有千秋，共同推動了科技的進(jìn)步和發(fā)展。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷變化，這四種計算單元將繼續(xù)演進(jìn)和融合，為我們帶來更加高效、靈活和智能的計算體驗(yàn)。讓我們共同期待這個充滿無限可能的計算時代的到來！