CPU vs. GPU vs. TPU，该如何选择？区别及应用场景对比
人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的飞速发展，正深刻地改变着我们的生活和工作方式。为了满足日益复杂的 AI 应用对计算能力的迫切需求，半导体行业正经历着一场前所未有的变革。传统的 CPU 虽然在通用计算方面表现出色，但在面对大规模并行计算任务时，其性能瓶颈日益凸显。摩尔定律的放缓更是加剧了这一问题，使得单纯依靠提升 CPU 频率来提高计算性能变得越来越困难。
为了突破这一限制，GPU（图形处理器）和 TPU（张量处理器）等专用加速器应运而生。GPU 凭借其强大的并行计算能力，在图形渲染、科学计算和深度学习等领域展现出卓越的性能。而 TPU 作为专门为机器学习任务设计的芯片，其在矩阵运算和卷积神经网络等方面具有无可比拟的优势。通过将 GPU 和 TPU 与 CPU 协同工作，可以显著提升系统的整体计算性能，满足 AI 应用对算力的迫切需求。
— 01 —
TPU、CPU 和 GPU：推动计算革命的三驾马车在当今以数据为驱动的时代，计算能力的提升已成为各行各业发展的关键驱动力。TPU、CPU 和 GPU 作为三大核心处理器，在各自的领域展现出卓越的性能，并通过协同工作，满足了日益复杂的计算需求。
那么，什么是 TPU、CPU 和 GPU ？首先从 TPU 说起 。。。
TPU（张量处理单元）是谷歌专门为加速机器学习工作负载而开发的高度专业化芯片。TPU 的设计目标是满足深度学习模型在计算方面的高需求，尤其擅长执行大量并行的张量运算。张量运算是神经网络计算的基础操作，因此 TPU 在处理大规模矩阵操作时表现尤为出色，能够显著加速深度学习任务的训练和推理过程。
与 CPU 和 GPU 相比，TPU 的一个关键优势是在提供卓越计算性能的同时，能够保持较低的功耗。这一点在现代计算环境中尤为重要，特别是在需要处理大规模数据集的深度学习应用中，如，图像识别、语音识别、自然语言处理以及推荐系统等。通过并行处理大量数据，TPU 能够大幅缩短这些任务的处理时间，从而实现更高效的计算性能。这使得 TPU 成为处理涉及海量数据和复杂计算的机器学习任务时的理想选择。
TPU 的架构是为特定类型的工作负载量身定制的，尤其是那些依赖于矩阵运算的深度学习任务。然而。尽管 TPU 在这类任务中表现出色，它们的高度专业化也意味着在面对其他通用计算任务时，可能不如 CPU 和 GPU 那样灵活和多功能。CPU 具有广泛的应用范围，可以处理各种类型的计算任务；GPU 则擅长大规模并行运算，不仅在深度学习领域表现出色，还在图形处理、科学计算等任务中占有重要地位。相比之下，TPU 虽然能够在机器学习任务中提供无与伦比的性能，但在应对非深度学习的计算任务时，通常并没有 CPU 和 GPU 那样具备通用性。
此外，充分发挥 TPU 的潜力往往需要对工作负载进行特定的优化和编程。这意味着开发人员在使用 TPU 时，需要对其架构特点有深入了解，才能将其优势最大化。尽管谷歌的云平台已经为 TPU 的使用提供了方便的支持和开发工具，但对一些开发者来说，编写和优化与 TPU 兼容的代码仍然是一个具有挑战性的任务。。
关于 CPU 和 GPU 的解析，可参考之前的文章，具体可参考如下：
基于上述所述，我们可以看到：CPU 作为通用处理器，在执行各种任务时表现出色。然而。对于机器学习这种计算密集型任务，GPU 和 TPU 凭借其高度并行的架构，往往能带来显著的性能提升。选择合适的处理器是成功部署机器学习模型的关键。
不同类型的机器学习模型对计算资源的需求各异。深度学习模型通常受益于 GPU 和 TPU 的并行计算能力；而传统机器学习算法则更适合在 CPU 上运行。因此，在选择处理器时，需要综合考虑模型类型、数据集大小、以及对实时性的要求。
接下来，我们来了解一下 TPU、CPU 和 GPU 3 者作为现代计算系统的核心处理器，各自由不同的公司设计和制造。这些制造商在推动硬件创新和性能提升方面发挥了重要作用，具体可参考如下：
— 02 —
TPU、CPU 以及 GPU 的价值效应在现代计算系统中，TPU、CPU 以及 GPU 虽然各有其独特的优势与劣势，但它们在特定的场景下往往相互配合协同工作，从而充分发挥各自的计算能力。这种组合方式使得计算系统能够根据任务的具体需求，将不同的处理器优势应用于各类复杂的工作负载，提升整体的性能和效率。
TPU（张量处理单元）作为专为机器学习设计的加速器，特别擅长执行大量的并行矩阵操作，因此在深度学习工作流程中扮演着重要角色。由于深度学习涉及大规模的神经网络训练和海量数据处理，TPU 凭借其专门优化的架构，能够大幅加速训练过程，缩短模型迭代时间。这种计算优势使得 TPU 在深度学习领域中不可替代，特别是在处理需要高效并行计算的任务时，其表现尤为突出。
与此同时，CPU（中央处理单元）作为系统的核心控制中心，负责训练过程的整体编排和管理。CPU 的多功能性使其能够处理各种系统级任务，例如操作系统管理、数据调度、任务分配以及处理各种复杂的指令。尽管 CPU 的并行计算能力不如 GPU 和 TPU，但其通用性和对多种计算需求的兼容性，在大多数计算场景中仍然不可或缺。
在实际应用场景中，GPU（图形处理单元）则展现出强大的并行处理能力。特别是在实时推理和图像处理等任务中，GPU 的优势尤为明显。其并行化的架构允许同时处理大量数据流，尤其适用于需要高吞吐量和低延迟的场景。GPU 不仅在深度学习推理阶段表现出色，还在图形密集型操作、3D 渲染、视频处理等任务中占据核心位置，使其成为游戏、虚拟现实以及加密货币挖掘等应用中的重要计算单元。
在像游戏或虚拟现实这样的应用场景中，GPU 的实时渲染能力至关重要，它能够提供高质量的图形体验，并处理复杂的视觉效果。与此同时，CPU 负责处理物理计算、游戏逻辑、AI 行为等各种复杂的后台任务，保证游戏的流畅运行。在某些涉及机器学习的应用中，如自适应游戏 AI 或实时优化算法，TPU 也能被引入，用于加速特定的深度学习推理任务，从而增强系统的智能响应能力。
将 TPU、CPU 以及 GPU 组合在一个计算系统中，使得开发人员和研究人员能够根据工作负载的特定需求，智能分配任务，最大化利用每个处理单元的优势。这种协作方式创造了一个更加平衡和高效的计算生态系统。例如，在复杂的 AI 模型训练中，深度学习任务的并行计算会被分配给 TPU 处理，而系统管理和任务分发由 CPU 负责，GPU 则可以专注于需要实时处理的推理任务或图像计算。这种高效的任务分工不仅提高了整体系统的响应速度，还在性能优化和能效提升上具有显著效果。
— 03 —
TPU、CPU 以及 GPU 的简要对比解析在计算领域，三大主要处理单元：TPU（张量处理单元）、CPU（中央处理单元）和GPU（图形处理单元）处理单元都有其独特的设计理念和功能特点。使其在不同任务中展现出显著优势，并被广泛应用于各种计算需求中。
1. TPU（张量处理单元）是专为机器学习任务量身定制的硬件加速器。其核心优势在于高效执行矩阵乘法，这一操作在深度学习和神经网络训练中极为常见。因此，TPU 能够在处理复杂的深度学习模型时，提供极高的性能优势。相较于传统的 CPU，TPU 能够显著提高特定 AI 任务的计算效率，尤其是在涉及大规模数据训练和推理时表现尤为突出。这也使得 TPU 成为推动深度学习技术发展的关键硬件，常用于企业级 AI 平台和云端机器学习服务中。
2. CPU（中央处理单元），作为计算机系统的核心通用处理器，扮演着“多面手”的角色。CPU 以其灵活性著称，能够胜任广泛的计算任务，从运行操作系统、管理硬件资源，到执行复杂的数学计算和算法。CPU 在性能和功耗之间实现了较好的平衡，这种设计使其能够高效地应对多种场景。尽管 CPU 的单线程性能较强，但在处理大规模并行任务时的表现不如 GPU 和 TPU 那么优越，因此在处理深度学习等大规模并行计算任务时，效率相对有限。
3. GPU（图形处理单元）最初是为了加速图形渲染而设计的，然而。随着技术的演进，GPU 的并行计算能力得到了广泛认可，逐渐从单一的图形渲染工具发展成为强大的通用计算加速器。它能够同时处理成千上万的数据流，因而非常适合并行计算密集型任务，如视频编辑、3D 渲染、科学计算、加密货币挖掘以及人工智能训练。特别是在处理需要大量数据并行计算的场景下，GPU 表现出了卓越的效率和处理能力，远远超过了传统 CPU 的能力。
因此，总的来说，TPU、CPU 和 GPU 各自有着不同的优势和应用场景。TPU 专注于机器学习加速，CPU 提供广泛的通用计算能力，而 GPU 则在并行处理任务中表现出色。根据不同的工作负载和计算需求，合理选择和组合这些处理单元，能够显著提升系统的整体性能和效率。
Reference ：
[1] https://serverguy.com/cpu-vs-gpu-vs-tpu/
[2] https://byte-man.com/cpu-vs-gpu-vs-tpu/
[3] https://m.backblaze.com/blog/ai-101-gpu-vs-tpu-vs-npu/
文章来源于架构驿站，作者Luga Lee
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/x0LFTUN3DZ3fH_UosJcEkg
