当前，人工智能已经成为推动企业业务创新和可持续发展的核心引擎。我们知道，算力、算法和数据是人工智能的三大核心要素，缺一不可。今天，笔者就从通用计算芯片这个维度出发，跟大家详细聊聊关于算力的相关技术与市场竞争态势。
所谓AI计算芯片（也称逻辑芯片），就是指包含了各种逻辑门电路，即能够进行运算，又能够进行逻辑判断的数字芯片，包括CPU、GPU、FPGA、ASIC等。这里，我们将通过一些比喻重点跟大家介绍一下CPU与GPU这两种通用计算芯片，希望大家看完本篇文章，能够真正了解CPU与GPU的主要差异，以及相互之间的优劣势。
计算机基本架构及原理
要了解CPU与GPU的本质区别，首先要简单地认识一下计算机的基本架构。
从数据输入到结果输出，现在的计算机大都是基于1940年代诞生的冯·诺依曼架构演进而来。在这个架构中，主要有输入设备、存储器、运算器(ALU，也称逻辑运算单元)、控制器(CU)、输出设备组成。
数据输入：将外部数据输入到数据处理引擎中；
数据缓存区：负责计算过程中临时数据的存储与读取，主要用来提高数据的读写效率；
控制单元：负责接收数据处理的控制命令，并且执行对整个处理引擎的控制和状态进行实时反馈；
计算单元：即数据处理的核心；
数据输出：输出处理好的数据，与外界进行交互。
本质上，CPU与GPU都是从冯·诺依曼架构演进而来，但由于采用了不同的架构，因此双方在计算性能上存在着较大的差异。接下来，我们就通过以英特尔为代表的x86架构和以英伟达为代表的CUDA（NV-RSIC）架构，来介绍一下两者的不同之处。
架构设计不同带来的差异
1）CPU：串行计算
作为计算机中的核心部件，CPU就像我们人类的大脑一样，它不仅仅要执行各种复杂的计算任务，还要负责控制其它部件之间的协作。因此，除了计算单元外，控制单元也在CPU中扮演着重要的角色。（CPU架构示意如下图）
上图可以看到，在整个CPU架构中，负责计算的绿色区域占的面积相对并不算大，反而黄色区域的控制单元占据了不少的空间。因此，除了计算之外，CPU也比较擅长逻辑控制。
和我们的大脑一样，CPU只能同时完成一件事情，是以串行方式进行计算的。指令在CPU中执行的过程就像一个工厂生产车间中的一条流水线，即先读取指令，之后通过指令总线送到控制器中进行译码，并发出相应的操作控制信号；然后运算器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，完成一条指令的计算过程。（如下图）
在取指令 ->指令译码 ->指令执行这个过程中，只有在指令执行的时候计算单元才发挥作用，这样取指令和指令译码的两段时间，计算单元就不会工作，这就会造成计算效率不高。
为了提高指令执行的效率，在不同的指令之间，通过预先读取后面的几条指令，使得指令流水处理，这样就减少了指令等待的过程，提高了指令执行效率。(如下图)
当然，提高时钟频率、增加更多的核心数量，也能够有效地提高CPU的计算效率，但随着技术瓶颈的出现，提高核心数量和提高时钟频率的难度越来越大，且带来的性能提升比例越来越小。
不难发现，受架构影响，CPU有着很强的逻辑运算能力，但并不擅长1+1=2的大量数据的并行计算。因此，在AI训练过程中，需要大规模并行计算时，CPU的优势就非常不明显了。
2）GPU：并行计算
在计算机中，GPU最初设计的初衷是加速图形图像处理，即专用加速器。因此，GPU内部采用了并行计算的设计，控制单元仅占很小的一部分。（见下图）
上图可以看到，GPU内部拥有大量的计算单元。由于采用了并行架构设计，每一组计算单元都有单独的缓存和控制器。
由于具有大量的计算单元，仅用来进行图形图像处理，应用范围过于狭窄，也无法真正发挥GPU的价值。于是，NVIDIA提前感知到AI将成为未来的主要技术趋势，并将GPU内部的计算单元进行了通用化的重新设计，GPU变成了GPGPU，即通用并行计算平台，也就是今天我们所指的GPU。
GPU不仅能够处理图形数据，还可以处理非图形化数据，特别是在运算量远大于数据调度和传输的计算时，GPU的性能远远大于CPU，因此在进行大量数据的训练时，GPU有着更强的优势。
当然，由于控制单元并不占优势，因此在进行逻辑运算时，GPU并不占优势。也就是说，让GPU进行大量数据的简单运算，速度更快，就像把大量的土豆全部切成片，GPU会更快。但是，如果让它执行将一小部分土豆切成丝，一大部分切成片这样的任务时，GPU就不占优势了。
CPU vs GPU：合理搭配降低AI总体成本
通过以上介绍不难发现，由于底层架构存在着较大的差异，因此双方在AI运算中也扮演着不同的角色。
举个例子，CPU具备更强的逻辑运算能力，就好像一位资深的老教授；GPU并行计算能力更优，就好像很多小学生同时进行1+1的简单计算。在同时进行大量简单的计算任务时，人数越多越占优势，完成的时间就越短；但是，如果在进行微积分等更加复杂的计算任务时，CPU就更加占有优势。
具体到AI计算方面，由于CPU有着更强的逻辑运算能力，就更加适合推理；而GPU拥有大量的计算单元，就更适合训练。
当然，无论是英特尔还是英伟达，都在通过不断进行架构优化，来提高AI的计算能力。例如英特尔，在最新推出的第五代至强可扩展处理器中，通过在每个内核中都内置英特尔AMX加速AI模块器的方式，让AVX-512和AMX都可以在CPU上使用，以提高AI推理的性能。根据官方给出的数据，基础平均性能较上一代提升21%，而AI推理性能的提升则高达42%。同时，得益于内置的英特尔高级矩阵扩展功能，第五代至强处理器无需搭配独立的AI加速器，就可以直接应付严苛的AI工作负载。
英伟达GTC2024上发布的全新B200 GPU，采用了两个GPU die集成在同一芯片上的设计，并配备了192GB的HBM3e超大内存。基于GB200 NVL72打造的MGX系统，能够实现30TB的统一内存，130TB/s的总带宽，甚至是单机柜exaFLOP级（FP4精度）的AI算力。英伟达表示，即便面对1.8万亿参数的GPT-MoE-1.8T超大模型，也可以实现比同数量H100 GPU高出4倍的训练性能。
虽然目前GPU的热度远高于CPU，但在笔者看来CPU仍然不可替代。原因在于，CPU不但具备更强的推理能力，并且拥有更高的性价比。这是因为，目前大部分数据中心中并不缺少CPU计算资源，且相对部署已经更加完善和成熟。因此，考虑到成本因素，包括采购成本、部署成本、使用成本（功耗）等，也成为众多厂商选择CPU进行推理的重要原因。
