GPU和CPU到底有什么區(qū)別

顯卡的發(fā)展可以說是非常的快，人們對于視覺化上的要求也越來越高，隨著用戶對于圖像處理上面的要求不斷超出處理器的計(jì)算能力。另一方面CPU處理能力也不斷強(qiáng)大，但在進(jìn)入3D時(shí)代后，人們發(fā)現(xiàn)龐大的3D圖像處理數(shù)據(jù)計(jì)算使得CPU越來越不堪重荷，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其計(jì)算能力。圖形計(jì)算需求日益增多，作為計(jì)算機(jī)的顯示芯片也飛速發(fā)展。隨后人們發(fā)現(xiàn)顯示芯片的計(jì)算能力也無法滿足快速增長的圖形計(jì)算需求時(shí)，圖形，圖像計(jì)算等計(jì)算的功能被脫離出來單獨(dú)成為一塊芯片設(shè)計(jì)，這就是現(xiàn)在的圖形計(jì)算處理器——GPU（Graphics Processing Unit），也就是顯卡。

1999年8月，NVIDIA終于正式發(fā)表了具有跨世紀(jì)意義的產(chǎn)品NV10——GeForce 256。GeForce256是業(yè)界第一款256bit的GPU，也是全球第一個(gè)集成T&L（幾何加速/轉(zhuǎn)換）、動態(tài)光影、三角形設(shè)置/剪輯和四像素渲染等3D加速功能的圖形引擎。通過T&L技術(shù)，顯卡不再是簡單像素填充機(jī)以及多邊形生成器，它還將參與圖形的幾何計(jì)算從而將CPU從繁重的3D管道幾何運(yùn)算中解放出來。在這代產(chǎn)品中，NVIDIA推出了兩個(gè)全新的名詞——GPU以GeForce。所以從某種意義上說，GeForce 256開創(chuàng)了一個(gè)全新的3D圖形時(shí)代，NVIDIA終于從追隨者走向了領(lǐng)導(dǎo)者。再到后來GeForce 3開始引出可編程特性，能將圖形硬件的流水線作為流處理器來解釋，基于GPU的通用計(jì)算也開始出現(xiàn)。

到了Nvidia GeForce6800這一代GPU，功能相對以前更加豐富、靈活。頂點(diǎn)程序可以直接訪問紋理，支持動態(tài)分支；象素著色器開始支持分支操作，包括循環(huán)和子函數(shù)調(diào)用，TMU支持64位浮點(diǎn)紋理的過濾和混合，ROP（象素輸出單元）支持MRT（多目標(biāo)渲染）等。象素和頂點(diǎn)可編程性得到了大大的擴(kuò)展，訪問方式更為靈活，這些對于通用計(jì)算而言更是重要突破。

真正意義的變革，是G80的出現(xiàn)，真正的改變隨著DX10到來發(fā)生質(zhì)的改變，基于DX10統(tǒng)一渲染架構(gòu)下，顯卡已經(jīng)拋棄了以前傳統(tǒng)的渲染管線，取而代之的是統(tǒng)一流處理器，除了用作圖像渲染外，流處理器自身有著強(qiáng)大的運(yùn)算能力。我們知道CPU主要采用串行的計(jì)算方式，由于串行運(yùn)算的局限性，CPU也正在向并行計(jì)算發(fā)展，比如目前主流的雙核、四核CPU，如果我們把這個(gè)概念放到現(xiàn)在的GPU身上，核心的一個(gè)流處理相當(dāng)于一個(gè)“核”，GPU的“核”數(shù)量已經(jīng)不再停留在單位數(shù)，而是幾十甚至是上百個(gè)。下面看看G80的架構(gòu)圖：

步入DX10時(shí)代，shader（流處理器）單元數(shù)量成為衡量顯卡級別的重要參數(shù)之一

G80中擁有128個(gè)單獨(dú)的ALU，因此非常適合并行計(jì)算，而且數(shù)值計(jì)算的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CPU。

GPU運(yùn)算能力越來越快，甚至超越CPU

早期的3D游戲，顯卡只是為屏幕上顯示像素提供一個(gè)緩存，所有的圖形處理都是由CPU單獨(dú)完成。圖形渲染適合并行處理，擅長于執(zhí)行串行工作的CPU實(shí)際上難以勝任這項(xiàng)任務(wù)。直到1995年，PC機(jī)領(lǐng)域第一款GPU 3dfx Voodoo出來以后，游戲的速度、畫質(zhì)才取得了一個(gè)飛躍。GPU的功能更新很迅速，平均每一年多便有新一代的GPU誕生，運(yùn)算速度也越來越快。

綜上所述，GPU并行處理的理論性能要遠(yuǎn)高于CPU。同時(shí)，我們也可以通過上面這組NVIDIA統(tǒng)計(jì)的近兩年來GPU與CPU之間浮點(diǎn)運(yùn)算能力提升對比表格來看一下。

Intel Core2Due G80 Chip 運(yùn)算能力比較

24 GFLOPS 520 GFLOPS GPU快21.6倍

雖然我們看到CPU和GPU在運(yùn)算能力上面的巨大差距，但是我們要看看他們設(shè)計(jì)之初所負(fù)責(zé)的工作。CPU設(shè)計(jì)之初所負(fù)責(zé)的是如何把一條一條的數(shù)據(jù)處理玩，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，便可以進(jìn)行分析，判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。其中運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、除）和邏輯運(yùn)算（ 如邏輯加、邏輯乘和非運(yùn)算）; 而控制器不具有運(yùn)算功能，它只是讀取各種指令，并對指令進(jìn)行分析，作出相應(yīng)的控制。通常，在CPU中還有若干個(gè)寄存器，它們可直接參與運(yùn)算并存放運(yùn)算的中間結(jié)果。CPU的工作原理就像一個(gè)工廠對產(chǎn)品的加工過程：進(jìn)入工廠的原料（程序指令），經(jīng)過物資分配部門（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運(yùn)算單元），生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲在倉庫（存儲單元）中，最后等著拿到市場上去賣（交由應(yīng)用程序使用）。在這個(gè)過程中，從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過程是通過邏輯運(yùn)算單元來進(jìn)行運(yùn)算處理，交到存儲單元代表工作的結(jié)束。數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備流經(jīng)內(nèi)存，等待CPU的處理。

而GPU卻從最初的設(shè)計(jì)就能夠執(zhí)行并行指令，從一個(gè)GPU核心收到一組多邊形數(shù)據(jù)，到完成所有處理并輸出圖像可以做到完全獨(dú)立。由于最初GPU就采用了大量的執(zhí)行單元，這些執(zhí)行單元可以輕松的加載并行處理，而不像CPU那樣的單線程處理。另外，現(xiàn)代的GPU也可以在每個(gè)指令周期執(zhí)行更多的單一指令。例如，在某些特定環(huán)境下，Tesla架構(gòu)可以同時(shí)執(zhí)行MAD+MUL or MAD+SFU。

CPU和GPU的架構(gòu)區(qū)別

可以看到GPU越來越強(qiáng)大，GPU為顯示圖像做了優(yōu)化之外，在計(jì)算上已經(jīng)超越了通用的CPU。如此強(qiáng)大的芯片如果只是作為顯卡就太浪費(fèi)了，因此NVidia推出CUDA，讓顯卡可以用于圖像計(jì)算以外的目的，也就是超于游戲，使得GPU能夠發(fā)揮其強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

N年前NVIDIA發(fā)布CUDA，這是一種專門針對GPU的C語言開發(fā)工具。與以往采用圖形API接口指揮GPU完成各種運(yùn)算處理功能不同，CUDA的出現(xiàn)使研究人員和工程師可以在熟悉的C語言環(huán)境下，自由地輸入代碼調(diào)用GPU的并行處理架構(gòu)。這使得原先需要花費(fèi)數(shù)天數(shù)周才能出結(jié)果的運(yùn)算大大縮短到數(shù)幾小時(shí)，甚至幾分鐘之內(nèi)。

CUDA是用于GPU計(jì)算的開發(fā)環(huán)境，它是一個(gè)全新的軟硬件架構(gòu)，可以將GPU視為一個(gè)并行數(shù)據(jù)計(jì)算的設(shè)備，對所進(jìn)行的計(jì)算進(jìn)行分配和管理。在CUDA的架構(gòu)中，這些計(jì)算不再像過去所謂的GPGPU架構(gòu)那樣必須將計(jì)算映射到圖形API（OpenGL和Direct 3D）中，因此對于開發(fā)者來說，CUDA的開發(fā)門檻大大降低了。CUDA的GPU編程語言基于標(biāo)準(zhǔn)的C語言，因此任何有C語言基礎(chǔ)的用戶都很容易地開發(fā)CUDA的應(yīng)用程序。

那么，如何使得CPU與GPU之間很好的進(jìn)行程序之間的銜接呢？以GPGPU的概念來看，顯卡仍然需要以傳統(tǒng)的DirectX和OpenGL這樣的API來實(shí)現(xiàn)，對于編程人員來說，這樣的方法非常繁瑣，而CUDA正是以GPGPU這個(gè)概念衍生而來的新的應(yīng)用程序接口，不過CUDA則提供了一個(gè)更加簡便的方案——C語言。