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8 2018
by 市场部
“有没有听说过HUAWEI Mate 10，有个很厉害的宣传点，NPU?”
“人工智能处理器吧？”
“什么是人工智能处理器？和CPU/GPU有啥区别？不都带个PU吗？”
“呃……”
现在这年代，技术日新月异，各种概念遍地开花，各类芯片名词GPU, TPU, NPU,DPU,层出不穷......它们都是什么鬼？与CPU又是什么关系？
所以，今天我们就来通俗易懂的科普一下这些所谓的“XPU”！
CPU
CPU( Central Processing Unit, 中央处理器)就是机器的“大脑”，也是布局谋略、发号施令、控制行动的“总司令官”。
CPU的结构主要包括运算器（ALU, Arithmetic and Logic Unit）、控制单元（CU, Control Unit）、寄存器（Register）、高速缓存器（Cache）和它们之间通讯的数据、控制及状态的总线。
简单来说就是：计算单元、控制单元和存储单元，架构如下图所示：
什么？架构记不住？来，我们换种表示方法：
嗯，大概就是这个意思。
从字面上我们也很好理解，计算单元主要执行算术运算、移位等操作以及地址运算和转换；存储单元主要用于保存运算中产生的数据以及指令等；控制单元则对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
所以一条指令在CPU中执行的过程是这样的：读取到指令后，通过指令总线送到控制器（黄色区域）中进行译码，并发出相应的操作控制信号；然后运算器（绿色区域）按照操作指令对数据进行计算，并通过数据总线将得到的数据存入数据缓存器（大块橙色区域）。过程如下图所示：
因为CPU的架构中需要大量的空间去放置存储单元（橙色部分）和控制单元（黄色部分），相比之下计算单元（绿色部分）只占据了很小的一部分，所以它在大规模并行计算能力上极受限制，而更擅长于逻辑控制。
另外，因为遵循冯诺依曼架构（存储程序，顺序执行），CPU就像是个一板一眼的管家，人们吩咐的事情它总是一步一步来做。但是随着人们对更大规模与更快处理速度的需求的增加，这位管家渐渐变得有些力不从心。
于是，大家就想，能不能把多个处理器放在同一块芯片上，让它们一起来做事，这样效率不就提高了吗？
没错，GPU便由此诞生了。
GPU
GPU全称为Graphics Processing Unit，中文为图形处理器，就如它的名字一样，GPU最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上运行绘图运算工作的微处理器。
为什么GPU特别擅长处理图像数据呢？这是因为图像上的每一个像素点都有被处理的需要，而且每个像素点处理的过程和方式都十分相似，也就成了GPU的天然温床。
GPU简单架构如下图所示：
从架构图我们就能很明显的看出，GPU的构成相对简单，有数量众多的计算单元和超长的流水线，特别适合处理大量的类型统一的数据。
但GPU无法单独工作，必须由CPU进行控制调用才能工作。CPU可单独作用，处理复杂的逻辑运算和不同的数据类型，但当需要大量的处理类型统一的数据时，则可调用GPU进行并行计算。
再把CPU和GPU两者放在一张图上看下对比，就非常一目了然了。
GPU的工作大部分都计算量大，但没什么技术含量，而且要重复很多很多次。
借用知乎上某大神的说法，就像你有个工作需要计算几亿次一百以内加减乘除一样，最好的办法就是雇上几十个小学生一起算，一人算一部分，反正这些计算也没什么技术含量，纯粹体力活而已；而CPU就像老教授，积分微分都会算，就是工资高，一个老教授资顶二十个小学生，你要是富士康你雇哪个？
但有一点需要强调，虽然GPU是为了图像处理而生的，但是通过前面的介绍可以发现，它在结构上并没有专门为图像服务的部件，只是对CPU的结构进行了优化与调整，所以现在GPU不仅可以在图像处理领域大显身手，它还被用来科学计算、密码破解、数值分析，海量数据处理（排序，Map-Reduce等），金融分析等需要大规模并行计算的领域。
所以GPU也可以认为是一种较通用的芯片。
TPU
随着人们的计算需求越来越专业化，人们希望有芯片可以更加符合自己的专业需求，这时，便产生了ASIC（专用集成电路）的概念。
ASIC是指依产品需求不同而定制化的特殊规格集成电路，由特定使用者要求和特定电子系统的需要而设计、制造。当然这概念不用记，简单来说就是定制化芯片。
因为ASIC很“专一”，只做一件事，所以它就会比CPU、GPU等能做很多件事的芯片在某件事上做的更好，实现更高的处理速度和更低的能耗。但相应的，ASIC的生产成本也非常高。
而TPU（Tensor Processing Unit, 张量处理器）是一款为机器学习而定制的芯片，经过了专门深度机器学习方面的训练，它有更高效能（每瓦计算能力）。
TPU每瓦能为机器学习提供比所有商用GPU和FPGA更高的量级指令，这基本相当于7年后的科技水平。TPU是为机器学习应用特别开发，以使芯片在计算精度降低的情况下更耐用，这意味每一个操作只需要更少的晶体管，用更多精密且大功率的机器学习模型，并快速应用这些模型，因此用户便能得到更正确的结果。
TPU已秘密使用在谷歌诸多商业项目中超过一年,并参加了与李世石的世纪人机围棋大战。
NPU
看到这里，相信大家对这些所谓的“XPU”的套路已经有了一定了解。
所谓NPU（Neural network Processing Unit）， 即神经网络处理器。顾名思义，用电路模拟人类的神经元和突触结构啊！特别擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据。
那怎么模仿？那就得先来看看人类的神经结构——生物的神经网络由若干人工神经元结点互联而成，神经元之间通过突触两两连接，突触记录了神经元之间的联系。
NPU的典型代表有国内的寒武纪芯片和IBM的TrueNorth。以中国的寒武纪为例，DianNaoYu指令直接面对大规模神经元和突触的处理，一条指令即可完成一组神经元的处理，并对神经元和突触数据在芯片上的传输提供了一系列专门的支持。
用数字来说话，CPU、GPU与NPU相比，会有百倍以上的性能或能耗比差距——以寒武纪团队过去和Inria联合发表的DianNao论文为例——DianNao为单核处理器，主频为0.98GHz，峰值性能达每秒4520亿次神经网络基本运算，65nm工艺下功耗为0.485W，面积3.02平方毫米mm。
在以上这些知识的基础上，我们再来理解BPU和DPU就更容易了。
BPU（Brain Processing Unit，大脑处理器）是由地平线科技提出的嵌入式人工智能处理器架构。第一代是高斯架构，第二代是伯努利架构，第三代是贝叶斯架构。目前地平线已经设计出了第一代高斯架构，并与英特尔在2017年CES展会上联合推出了ADAS系统（高级驾驶辅助系统）。
DPU（Deep learning Processing Unit, 即深度学习处理器）最早由国内深鉴科技提出，基于Xilinx可重构特性的FPGA芯片，设计专用的深度学习处理单元（可基于已有的逻辑单元，设计并行高效的乘法器及逻辑电路，属于IP范畴），且抽象出定制化的指令集和编译器（而非使用OpenCL），从而实现快速的开发与产品迭代。事实上，深鉴提出的DPU属于半定制化的FPGA。
