軟件定義數(shù)據(jù)路徑 - 賽靈思FPGA架構(gòu)白皮書簡介：機(jī)器學(xué)習(xí)、片上存儲器、任意I/O

通過嚴(yán)格的存儲器層級實(shí)現(xiàn)軟件定義數(shù)據(jù)路徑

與 CPU 類似，GPU 中的數(shù)據(jù)流也由軟件定義，并取決于 GPU 的嚴(yán)格而復(fù)雜的存儲器層級 [ 參考資料 17]。典型的 GPU 存儲器層級如圖 3 所示。

每個(gè)線程在寄存器文件中都有自己的存儲器空間，用以存儲線程的本地變量。少量線程（相同的存儲塊中）可通過共享存儲器通信 ；所有線程都能通過全局或片外存儲器通信 [ 參考資料 18]。

如圖 3 所示，與存儲器訪問有關(guān)的能耗和時(shí)延分別增加 100 倍和 80 倍以上，因?yàn)閿?shù)據(jù)需要遍歷存儲器層級——從寄存器文件到全局存儲器 [ 參考資料 15][ 參考資料 17][ 參考資料 19]。此外，存儲器沖突不可避免，會(huì)增大時(shí)延，導(dǎo)致 ALU 閑置，致使計(jì)算能力和效率降低。

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圖 3 ：典型的 GPU 存儲器層級

因此，如果實(shí)現(xiàn) GPU 的計(jì)算和效率潛能，工作負(fù)載的數(shù)據(jù)流必須準(zhǔn)確映射到 GPU 存儲器層級。工作負(fù)載要具備足夠的數(shù)據(jù)局部性，才能高效地映射到 GPU，實(shí)際上這樣的工作負(fù)載很少。對大多數(shù)工作負(fù)載而言，當(dāng)在 GPU 上實(shí)現(xiàn)時(shí)，實(shí)際的計(jì)算能力和效率會(huì)大打折扣，解決方案的時(shí)延也會(huì)增加 [ 參考資料 19][ 參考資料 20]。

機(jī)器學(xué)習(xí)推斷作為量化實(shí)例，能清楚反應(yīng)出這種數(shù)據(jù)流局限性。GPU 必須批處理，例如 128，以實(shí)現(xiàn)高效但時(shí)延更長的解決方案。最終，批處理使機(jī)器學(xué)習(xí)處理局部化，但代價(jià)是時(shí)延增加 [ 參考資料 21]。GoogLeNet v1 Inference 的 NVidia P40 基準(zhǔn)測試結(jié)果可清楚地反映出該效應(yīng)。對于 GoogLeNet v1，網(wǎng)絡(luò)因 P40 存儲器帶寬而受計(jì)算束縛，因此與批處理有關(guān)的存儲器帶寬削減不會(huì)產(chǎn)生很大幫助。然而，P40顯然需要 128 批處理以實(shí)現(xiàn) 50% 的 GPU 理論性能，會(huì)給系統(tǒng)帶來很大時(shí)延 [ 參考資料 16]。

有些情況下，可利用 CPU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以便工作負(fù)載更好地映射到 GPU SIMT 架構(gòu)和存儲器層級，但代價(jià)是產(chǎn)生更多 CPU 計(jì)算和功耗，抵消了 GPU 的優(yōu)勢 [ 參考資料 7]。

有限的 I/O 選項(xiàng)
如“GPU 起源和目標(biāo)工作負(fù)載”部分所述，GPU 的角色是作為協(xié)處理器。為了便于與主機(jī)通信，GPU以往只有一個(gè)硬 PCIe? 接口以及幾個(gè)片外 DRAM 接口（例如 GDDR5）。最近幾代產(chǎn)品中，有些 GPU 采用硬接口實(shí)現(xiàn) GPU 到 GPU 通信。仍然需要使用 CPU 來與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接以及向 GPU 分配任務(wù)，這會(huì)增加系統(tǒng)功耗，同時(shí)會(huì)因 PCIe 的有限帶寬而帶來瓶頸問題。例如，英偉達(dá)的 Tesla P40 支持 PCIe 3.0 x16，只能實(shí)現(xiàn) 16GB/s 帶寬。

GPU 廠商已經(jīng)開始構(gòu)建小型 SoC，例如 NVidia Tegra X1，能夠提供集成 GPU 計(jì)算、ARM? 處理器以及一些通用汽車外設(shè)（如 HDMI、MIPI、SIP、CAN 和基礎(chǔ)以太網(wǎng)）。這些器件只具備少量計(jì)算能力，必須依靠額外的分立 GPU 實(shí)現(xiàn)必要的計(jì)算能力。然而，分立 GPU 的接口有很大局限性，例如 Tegra X1 僅支持 PCIe 2.0 x4，造成嚴(yán)重瓶頸。額外的 SoC 的功耗會(huì)進(jìn)一步降低平臺的效率。

片上存儲器資源
除了時(shí)延、效率和吞吐量方面的不利影響，片外存儲器的帶寬要顯著低于本地 / 片上存儲器。因此，如果工作負(fù)載需要依靠片外存儲器，不僅片外存儲器的帶寬會(huì)成為瓶頸，而且計(jì)算資源也會(huì)被閑置，從而降低 GPU 提供的計(jì)算功能和效率。

因此，更有利的做法是采用大型低時(shí)遲、高帶寬片上存儲器。再次以機(jī)器學(xué)習(xí)推斷為例，GoogLeNet 共需要 27.2MB 的存儲器，假設(shè) FP32 方案，這樣沒能提供 GPU，這意味著需要片外存儲器 [ 參考資料 22]。很多情況下需采用高昂的高帶寬存儲器 (HBM) 和批處理，以防止內(nèi)核閑置。如果選擇具有更大型片上存儲器的器件，就能避免 HBM 成本以及額外的時(shí)延和功耗問題。

功耗范圍
GPU 廠商在設(shè)計(jì)板卡和 GPU 時(shí)通常要適應(yīng) 250W 功耗上限，并依靠有效熱管理來調(diào)節(jié)溫度。針對機(jī)器學(xué)習(xí)推斷市場，英偉達(dá)開發(fā)了滿足 75W 功耗范圍的器件，例如 Tesla M4 和 P4。即使 75W 也遠(yuǎn)超出所允許的系統(tǒng)級功耗和熱范圍。 GPU 的絕對功耗依然是阻礙 GPU 廣泛使用的一大因素。

功能安全性
GPU 源自消費(fèi)圖形處理和高性能計(jì)算領(lǐng)域，不存在功能安全性要求。隨著 GPU 廠商瞄準(zhǔn) ADAS 市場，功能安全性就變成了優(yōu)先考慮和要求。器件需要全新設(shè)計(jì)，以確保實(shí)現(xiàn)所需的功能安全性認(rèn)證等級，以便用在 ADAS 系統(tǒng)中。對 GPU 廠商來說這是一個(gè)長期學(xué)習(xí)過程，涉及各個(gè)方面，需要新的工具和設(shè)備。