AI硬件如何助力人工智能？一文读懂CPU、GPU、NPU、TPU的区别与应用 原创

引言：AI硬件的时代已经到来

在人工智能（AI）和机器学习的浪潮中，专门化的AI硬件正如雨后春笋般涌现，它们让计算能力远超传统CPU的极限。CPU、GPU、NPU、TPU这些处理单元各司其职，分别为不同的AI模型、应用场景量身定制。今天，我们就来深入剖析这些AI硬件的核心区别和最佳应用场景，带你了解它们在AI世界中的独特角色。

无论你是AI研究人员、开发者，还是对科技感兴趣的普通用户，都会发现，选择合适的硬件对AI项目的成功至关重要。那么，这些硬件到底有什么不同？它们各自的优势和最佳用途又是什么？让我们一起来探索这个充满技术魅力的世界。

1. CPU：通用计算的万能手

首先，让我们来看看CPU（中央处理器，Central Processing Unit）——AI世界中的通用计算万能手。CPU是我们最熟悉的处理器，它拥有少数但强大的核心，擅长处理单线程任务和运行各种软件，从操作系统到数据库，再到轻量级的机器学习（ML）推理。

在AI/ML领域，CPU的最大优势在于它的通用性——它可以执行任何类型的AI模型。然而，正是因为它的通用性，CPU在处理需要大量并行性的深度学习训练或大规模推理时，效率就大打折扣了。

CPU最适合哪些场景？

• 经典机器学习算法：比如scikit-learn和XGBoost，这些算法通常不需要大量的并行计算。
• 模型的原型开发和初步测试：此时计算量还不是很大，CPU完全可以胜任。
• 小型模型或低吞吐量需求的推理任务：比如在个人电脑上运行一些简单的AI应用。

技术说明

对于神经网络操作，CPU的计算能力（以GFLOPS——十亿浮点运算每秒——表示）远不如专门的加速器。这就是为什么在AI的计算密集型任务中，CPU并不是最佳选择。

2. GPU：深度学习的支柱

接下来，我们来谈谈GPU（图形处理器，Graphics Processing Unit）——深度学习的中流砥柱。GPU最初是为图形处理而设计的，但现代GPU拥有数千个并行性核心，专门为矩阵和多重向量操作而优化，这使它们在训练和推理深度神经网络时表现出色。

以NVIDIA RTX 3090为例，它拥有10,496个CUDA核心，最高可达35.6 TFLOPS（万亿浮点运算每秒）的FP32计算能力。最近的NVIDIA GPU还配备了“Tensor Cores”，用于混合精度计算，可以进一步加速深度学习操作。

GPU最适合哪些场景？

• 训练和推理大型深度学习模型：如CNN（卷积神经网络）、RNN（循环神经网络）和Transformers（transformer模型），这些模型需要大量的并行性计算。
• 数据中心和研究环境中的批量处理任务：GPU的并行性让它在处理大规模数据时游刃有余。
• 所有主要的AI框架支持：如TensorFlow和PyTorch，都支持GPU，这使得开发者可以轻松地利用GPU的计算能力。

性能亮点

有趣的是，在某些工作负载中，四个RTX A5000的组合甚至可以超过单个、价格更高的NVIDIA H100，在采购成本和性能之间找到了一个很好的平衡点。这说明了GPU在深度学习领域的不可或缺地位。

3. NPU：设备端AI的专家

NPU（神经处理器，Neural Processing Unit）——设备端AI的专家。NPU是专为神经网络操作设计的专用集成电路（ASIC），它们优化了深度学习****推理中的并行低精度计算，并以低功耗运行，非常适合边缘和嵌入式设备。

NPU在哪些场景中大显身手？

• 移动和消费电子产品：比如Apple A系列、Samsung Exynos、Google Tensor等芯片上的NPU，支持面部解锁、实时图像处理、语言翻译等功能。
• 边缘计算和物联网：提供低延迟的视觉和语音识别，应用于智能城市摄像头、AR/VR设备、制造业传感器等。
• 汽车行业：处理来自传感器的实时数据，用于自动驾驶和高级驾驶辅助系统。

性能与效率

以Samsung Exynos 9820为例，其NPU在AI任务上的性能比前代提高了约7倍。更重要的是，NPU注重效率，而非单纯的计算吞吐量，这意味着在支持高级AI功能的同时，可以延长设备的电池寿命。

4. TPU：Google的AI强力助手

最后，我们来看看TPU（张量处理器，Tensor Processing Unit）——Google的AI强力助手。TPU是Google为大型张量计算专门开发的定制芯片，其硬件设计紧紧围绕TensorFlow等框架的需求进行优化。

TPU的关键规格

• TPU v2：最高可达180 TFLOPS，用于神经网络训练和推理。
• TPU v4：在Google Cloud可用，每芯片最高275 TFLOPS，并且可以扩展到“pods”，总计算能力超过100 petaFLOPS（百万亿浮点运算每秒）。
• 专用的矩阵乘法单元（MXU）：使得TPU能够处理巨大批量的计算。
• 能源效率：在推理任务中，TPU的效率（以TOPS/Watt——每瓦特千兆运算——表示）比当代GPU和CPU高出30-80倍。

TPU最适合哪些场景？

• 在云端大规模训练和服务大型AI模型：如BERT、GPT-2、EfficientNet等。
• 需要高吞吐量、低延迟AI的研究和生产管道。
• 与TensorFlow和JAX有紧密的集成；并且越来越多地支持PyTorch。

注意事项

TPU的架构比GPU更不灵活——它是专为AI任务优化的，并不适合图形处理或通用计算任务。但在Google的生态系统中，TPU无疑是AI计算的顶级选择。

5. 模型在哪里运行？

为了更直观地理解不同硬件的最佳用途，我们可以看一下下表：

*注：CPU支持所有模型，但对于大规模深度神经网络效率不高。

6. 数据处理单元（DPU）：数据搬运工

除了CPU、GPU、NPU、TPU之外，还有数据处理单元（DPU），它们是AI数据中心中的“数据搬运工”。DPU加速网络、存储和数据移动，将这些任务从CPU/GPU中卸载，从而让计算资源能够专注于模型的执行，而不是I/O或数据编排。这大大提高了AI数据中心的基础设施效率。

7. 总结表格：技术比较

以下是不同硬件的技术比较表格：

8. 关键要点

综上所述，不同的AI硬件各有其独特的优势：

• CPU是通用计算的首选，适合各种灵活的工作负载。
• GPU是深度学习的核心力量，尤其是在Google Cloud之外的环境中。
• NPU主导移动和边缘设备上实时、节能且保护隐私的AI应用场景。
• TPU为大型模型提供了无与伦比的规模和速度，特别是在Google的生态系统中。

选择合适的硬件需要考虑模型大小、计算需求、开发环境以及部署方式（云端或边缘/移动）。一个高效的AI系统通常会结合这些处理器的长处，发挥各自的优势。

结尾：AI硬件的未来

在AI技术不断发展的今天，理解不同硬件的特性和最佳应用场景，对于构建高效的AI解决方案至关重要。无论你是AI研究人员、开发者还是行业从业者，都需要根据具体需求选择合适的硬件，共同推动AI技术的进步。

你认为未来的AI硬件会朝着哪些方向发展？是更高效的NPU，还是更强大的TPU？

本文转载自​​Halo咯咯​​    作者：基咯咯