幾乎所有深度學習的研究者都在使用GPU，但是對比深度學習硬鑒方案，ASIC、FPGA、GPU三種究竟哪款更被看好？主要是認清對深度學習硬件平臺的要求。

今天被羅振宇的跨年演講刷爆了朋友圈。不過他講深度學習和GPU的時候，真讓人虐心。

顯卡的處理器稱為圖形處理器（GPU），它是顯卡的“心臟”，與CPU類似，只不過GPU是專為執(zhí)行復雜的數(shù)學和幾何計算而設計的，這些計算是圖形渲染所必需的。

對深度學習硬件平臺的要求

要想明白“深度學習”需要怎樣的硬件，必須了解深度學習的工作原理。首先在表層上，我們有一個巨大的數(shù)據(jù)集，并選定了一種深度學習模型。每個模型都有一些內(nèi)部參數(shù)需要調(diào)整，以便學習數(shù)據(jù)。而這種參數(shù)調(diào)整實際上可以歸結(jié)為優(yōu)化問題，在調(diào)整這些參數(shù)時，就相當于在優(yōu)化特定的約束條件。

百度的硅谷人工智能實驗室（SVAIL）已經(jīng)為深度學習硬件提出了DeepBench基準，這一基準著重衡量的是基本計算的硬件性能，而不是學習模型的表現(xiàn)。這種方法旨在找到使計算變慢或低效的瓶頸。 因此，重點在于設計一個對于深層神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的基本操作執(zhí)行效果最佳的架構(gòu)。那么基本操作有哪些呢？現(xiàn)在的深度學習算法主要包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）。基于這些算法，DeepBench提出以下四種基本運算：

矩陣相乘（Matrix Multiplication）——幾乎所有的深度學習模型都包含這一運算，它的計算十分密集。

卷積（Convolution）——這是另一個常用的運算，占用了模型中大部分的每秒浮點運算（浮點/秒）。

循環(huán)層（Recurrent Layers ）——模型中的反饋層，并且基本上是前兩個運算的組合。

All Reduce——這是一個在優(yōu)化前對學習到的參數(shù)進行傳遞或解析的運算序列。在跨硬件分布的深度學習網(wǎng)絡上執(zhí)行同步優(yōu)化時（如AlphaGo的例子），這一操作尤其有效。

除此之外，深度學習的硬件加速器需要具備數(shù)據(jù)級別和流程化的并行性、多線程和高內(nèi)存帶寬等特性。 另外，由于數(shù)據(jù)的訓練時間很長，所以硬件架構(gòu)必須低功耗。 因此，效能功耗比（Performance per Watt）是硬件架構(gòu)的評估標準之一。

GPU在處理圖形的時候，從最初的設計就能夠執(zhí)行并行指令，從一個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也可以在每個指令周期執(zhí)行更多的單一指令。所以GPU比CPU更適合深度學習的大量矩陣、卷積運算的需求。深度學習的應用與其原先的應用需求頗為類似。GPU廠家順理成章的在深度學習，找到了新增長點。

英偉達以其大規(guī)模的并行GPU和專用GPU編程框架CUDA主導著當前的深度學習市場。但是越來越多的公司開發(fā)出了用于深度學習的加速硬件，比如谷歌的張量處理單元（TPU/Tensor Processing Unit）、英特爾的Xeon Phi Knight‘s Landing，以及高通的神經(jīng)網(wǎng)絡處理器（NNU/Neural Network Processor）。

多虧了新技術和充滿GPU的計算機數(shù)據(jù)中心，深度學習獲得了巨大的可能應用領域。這家公司的任務中很大一部分都只是獲取用來探索這些可能性的時間和計算資源。這項工作極大地擴張了設計空間。就科學研究而言，覆蓋的領域已經(jīng)在指數(shù)式擴張了。而這也已經(jīng)突破了圖像識別的范疇，進入到了語音識別、自然語言理解等其它任務中。正因為覆蓋的領域越來越多，微軟在提高其GPU集群的運算能力的同時也在探索使用其它的專用處理器，其中包括FPGA——一種能針對特定任務（如深度學習）編程的芯片。而且這項工作已經(jīng)在全世界的技術和人工智能領域掀起了波瀾。英特爾完成了其歷史上最大的并購案，收購了專注FPGA的Altera。

FPGA的優(yōu)勢是，如果計算機需要改變，它可以被重新裝配。但是，最通用、最主流的方案仍舊是使用 GPU，以并行處理大量數(shù)學運算。不出預料，GPU 方案的主要推動者是該市場的霸主英偉達。

英偉達旗艦顯卡 Pascal Titan X

事實上， 2009 年之后人工神經(jīng)網(wǎng)絡的復興與 GPU 有緊密聯(lián)系——那一年，幾名斯坦福的學者向世界展示，使用 GPU 可以在合理的時間內(nèi)訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡。這直接引發(fā)了 GPU 通用計算的浪潮。

英偉達首席科學家、斯坦福并發(fā) VLSI 架構(gòu)小組的負責人 William J. Dally 表示：“行內(nèi)每個人現(xiàn)在都在做深度學習，這方面，GPU 幾乎已經(jīng)達到了最好。”