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能效提升3倍!異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)讓AI跑得更快更省電

Carol Li ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李彎彎 ? 2025-05-25 01:55 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李彎彎)異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)通過集成多種不同類型的處理單元(如CPU、GPU、NPU、FPGA、DSP等),針對不同計(jì)算任務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行分工協(xié)作,從而在性能、能效和靈活性之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡。它是應(yīng)對復(fù)雜計(jì)算需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的核心優(yōu)勢

異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的核心要素主要包括多種計(jì)算單元結(jié)合、任務(wù)分配機(jī)制和協(xié)同工作機(jī)制。多種計(jì)算單元結(jié)合:結(jié)合不同類型的處理單元,如CPU、GPU、TPU、FPGA等,每種單元針對特定任務(wù)或工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化。例如CPU擅長處理邏輯判斷、控制流程以及多樣化的通用任務(wù);GPU擁有大量并行處理單元,擅長圖像、視頻、深度學(xué)習(xí)等大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)算;FPGA/ASIC可根據(jù)特定算法進(jìn)行高度定制,在功耗和實(shí)時性方面有優(yōu)勢。

任務(wù)分配機(jī)制:通過將不同類型的處理單元分配給不同的任務(wù),異構(gòu)架構(gòu)可以提高系統(tǒng)整體的能效比和性能,實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并行處理和優(yōu)化。系統(tǒng)會根據(jù)工作負(fù)載類型將任務(wù)分配給最適合的硬件單元,讓整體資源得到最大程度的利用。

協(xié)同工作機(jī)制:異構(gòu)計(jì)算并非讓各個處理單元“各自為政”,而是需要一個良好的編程框架和通訊機(jī)制,保證不同單元之間的數(shù)據(jù)傳遞和任務(wù)調(diào)度高效有序。例如采用共享或?qū)S酶咚倬彺?、高速互?lián)接口、統(tǒng)一編程模型或驅(qū)動層抽象等方式。

異構(gòu)計(jì)算的優(yōu)勢在于性能的提升、能效比優(yōu)化、適應(yīng)多樣化需求,縮短開發(fā)周期。性能提升,通過利用多種優(yōu)化的處理單元,異構(gòu)架構(gòu)可以顯著提升系統(tǒng)的整體性能和響應(yīng)速度。例如在深度學(xué)習(xí)任務(wù)中,GPU的并行計(jì)算能力能夠顯著加速模型訓(xùn)練,減少訓(xùn)練時間,從而在大規(guī)模數(shù)據(jù)集的處理上帶來極大的性能提升。

能效比優(yōu)化,針對不同類型的工作負(fù)載分配適當(dāng)?shù)奶幚韱卧悩?gòu)架構(gòu)可以在相同功耗下提供更高的計(jì)算能力。例如CPU在處理計(jì)算密集型任務(wù)時效率較低,而GPU則能在這些任務(wù)中提供更高效的計(jì)算,進(jìn)而減少能源消耗。同時,F(xiàn)PGA等硬件能夠根據(jù)任務(wù)的需要進(jìn)行定制,進(jìn)一步優(yōu)化性能與能效。

適應(yīng)多樣化需求,支持多種應(yīng)用需求,從科學(xué)計(jì)算到深度學(xué)習(xí),異構(gòu)架構(gòu)可以靈活調(diào)整以滿足不同的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理需求。

縮短開發(fā)周期,開發(fā)者可以利用現(xiàn)有硬件資源,根據(jù)任務(wù)需求快速選擇合適的硬件加速方案,無需重新設(shè)計(jì)專用硬件系統(tǒng)。這不僅節(jié)省了開發(fā)時間,也降低了設(shè)計(jì)和開發(fā)的成本,從而加速了產(chǎn)品的推出。

異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的典型案例

下面是列舉一些異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的典型案例,展示如何通過整合多種處理單元(CPU、GPU、NPU、FPGA等)實(shí)現(xiàn)性能、能效和靈活性的協(xié)同優(yōu)化。

智能手機(jī)領(lǐng)域,如蘋果M1 Ultra,該芯片包含CPU、GPU、NPU多個單元,8核(4性能核+4能效核)CPU處理通用任務(wù),16核GPU加速圖形渲染和機(jī)器學(xué)習(xí)推理,16核專用加速器NPU,支持實(shí)時影像處理(如電影模式視頻分割)。

在協(xié)作方面,視頻處理方面,CPU調(diào)度任務(wù),GPU加速特效渲染,NPU實(shí)時分析人臉焦點(diǎn)。在能效優(yōu)化方面,能效核處理后臺任務(wù),性能核專注高負(fù)載場景。相比傳統(tǒng)SoC,M1 Ultra在AI任務(wù)(如實(shí)時語義分割)能效提升3倍,續(xù)航延長20%。

智能駕駛領(lǐng)域,如特斯拉HW4.0,該芯片架構(gòu)包含GPU、NPU、FPGA單元,AMD定制GPU處理圖形渲染和傳感器融合,自研ASIC(Hardware 4.0)加速BEV(鳥瞰圖)感知和路徑規(guī)劃,F(xiàn)PGA處理實(shí)時雷達(dá)信號濾波。

在協(xié)作方面,感知層方面,NPU并行處理8攝像頭+雷達(dá)數(shù)據(jù),輸出目標(biāo)檢測結(jié)果;決策層方面,GPU模擬駕駛場景,CPU執(zhí)行車輛控制指令。該架構(gòu)設(shè)計(jì)具有明顯成效,如延遲降低至20ms以下,支持純視覺方案的FSD(Full Self-Driving)功能。

數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,如NVIDIA DGX H100,該芯片架構(gòu)包含CPU、GPU、DPU單元,AMD EPYC Genoa處理I/O和系統(tǒng)管理,8塊H100 GPU(NVLink互聯(lián))加速AI訓(xùn)練,BlueField-3DPU卸載網(wǎng)絡(luò)和存儲任務(wù),釋放GPU算力。在協(xié)作方面,訓(xùn)練階段,GPU執(zhí)行矩陣運(yùn)算,DPU預(yù)處理數(shù)據(jù)(如壓縮/解密);推理階段,GPU+CPU協(xié)同處理低延遲請求(如實(shí)時推薦系統(tǒng))。該架構(gòu)的成效體現(xiàn)在,訓(xùn)練萬億參數(shù)模型效率提升90%,能效比達(dá)30 TFLOPS/W。

邊緣計(jì)算領(lǐng)域,如谷歌Edge TPU,采用專用ASIC搭載協(xié)處理器,Edge TPU僅支持INT8量化模型,針對邊緣推理優(yōu)化,低功耗MCU(Cortex-M)管理傳感器數(shù)據(jù)輸入。在協(xié)作方面,預(yù)處理方面,MCU完成數(shù)據(jù)濾波和格式轉(zhuǎn)換,在推理方面,Edge TPU執(zhí)行MobileNet-SSD模型(物體檢測),延遲<10ms。相比通用芯片,功耗降低75%,體積縮小50%。

小結(jié):異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)通過任務(wù)-硬件的精準(zhǔn)匹配,在性能、功耗、成本等關(guān)鍵指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破,成為高性能計(jì)算、AI、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)設(shè)施。未來,隨著Chiplet、存算一體等技術(shù)的融合,異構(gòu)計(jì)算將進(jìn)一步釋放硬件潛力,推動智能計(jì)算向更高能效、更低延遲發(fā)展。
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