TPU, GPU, CPU, производительность и различия обсуждаются

По мере развития технологий аппаратное обеспечение, используемое в компьютерной системе, также обновляется, чтобы соответствовать требованиям общественности. Раньше в компьютерных системах был ЦП (центральный процессор). Позже появление GPU (Graphics Processing Unit) вывело рендеринг и обработку изображений на новый уровень. Сегодня, в эпоху искусственного интеллекта, у нас есть TPU (Tensor Processing Unit). Все эти три процессора разработаны для выполнения определенных задач на компьютере. В этой статье мы поговорим о разнице между CPU, GPU и TPU.

TPU, GPU, CPU, производительность и различия обсуждаются

Центральный процессор или центральный процессор выполняет все арифметические и логические операции. С другой стороны, работа графического процессора заключается в рендеринге и обработке изображений или графики. TPU — это особый тип процессора, разработанный Google. Он используется для обработки нейронной сети с использованием TensorFlow. ЦП может выполнять несколько задач, включая рендеринг изображений. Но более высокий уровень рендеринга изображений требует выделенного процессора, графического процессора. Вот почему для игр высокого класса всегда требуется выделенная видеокарта.

Что такое процессор?

ЦП означает центральный процессор. Это мозг компьютера, потому что он обрабатывает все задачи, которые пользователь выполняет на своем компьютере. Все арифметические и логические вычисления, необходимые для выполнения задачи, выполняются центральным процессором. Целью ЦП является получение ввода от устройств, подключенных к компьютеру, таких как клавиатура, мышь и т. д., или от программного обеспечения для программирования, и отображение требуемого вывода.

Компоненты ЦП

Центральный процессор состоит из следующих трех компонентов:

1. БУ (блок управления)
2. ALU (Арифметико-логическое устройство)
3. Регистры

Блок управления в ЦП

Блок управления (CU) — это один из компонентов ЦП, который извлекает инструкции из основной памяти и декодирует их в команды. Затем эти команды отправляются в АЛУ, работа которого заключается в выполнении этих инструкций, и, наконец, результат сохраняется в основной памяти.

ALU (арифметико-логическое устройство) в ЦП

АЛУ, как следует из названия, — это компонент ЦП, работа которого заключается в выполнении арифметических и логических вычислений или операций. Кроме того, ALU можно разделить на две части, а именно: AU (арифметическое устройство) и LU (логическое устройство). Работа этих двух блоков заключается в выполнении арифметических и логических операций соответственно.

Все вычисления, требуемые ЦП, выполняются АЛУ. АЛУ получает команды от блока управления. Получив эти команды, он обрабатывает их, выполняя вычисления, а затем сохраняет окончательный результат в основной памяти. Следующие три операции выполняются АЛУ:

1. Логические операции: эти операции включают И, ИЛИ, НЕ, НЕ-И, ИЛИ и т. д.
2. Операции сдвига битов: Операция сдвига битов — это смещение битов вправо или влево на определенное количество позиций.
3. Арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление являются арифметическими операциями.

Регистры в ЦП

ЦП состоит из нескольких регистров. Эти регистры включают как общие, так и специальные регистры. Регистр общего назначения используется для временного хранения данных. С другой стороны, регистры специального назначения используются для хранения результатов арифметических и логических операций, выполняемых АЛУ.

Что такое процессорные ядра?

Ядра ЦП — это пути, состоящие из миллиардов микроскопических транзисторов. Процессор использует ядра для обработки данных. Проще говоря, ядро ​​ЦП — это базовая вычислительная единица ЦП. Количество ядер прямо пропорционально вычислительной мощности процессора. Ядра ЦП определяют, может ли ЦП обрабатывать несколько задач или нет. Возможно, вы слышали о следующих двух типах процессоров:

• Одноядерный процессор
• Многоядерный процессор

Одноядерный ЦП может одновременно обрабатывать только одну задачу, тогда как многоядерный ЦП может одновременно обрабатывать несколько задач. Если в вашей системе установлен многоядерный процессор, вы можете выполнять несколько задач одновременно, например, просматривать Интернет, создавать документы или электронные таблицы в программах Microsoft Office, редактировать изображения и т. д. одновременно. в то же время. Сколько ядер ЦП вам нужно, зависит от типа работы, которую вы выполняете на своем компьютере.

Что такое графический процессор?

GPU означает графический процессор. Графический процессор используется в различных приложениях, включая рендеринг изображений и видео. В игровой сфере видеокарты играют решающую роль. Графический процессор является основным компонентом видеокарты. Видеокарты бывают двух типов, а именно интегрированные видеокарты и дискретные видеокарты. Интегрированная видеокарта — это та, которая встроена в материнскую плату компьютера. Интегрированные графические процессоры не могут справиться с задачами высокого уровня, такими как высококлассные игры. Вот почему, если вы геймер высокого класса, вам необходимо установить на свой компьютер выделенную видеокарту. Кроме того, задачи редактирования изображений и видео, выполняемые тяжелым программным обеспечением, также требуют специальной видеокарты.

Что такое ТПУ?

TPU расшифровывается как Tensor Processing Unit. Это процессор, разработанный Google для обработки нейронной сети с использованием TensorFlow. TensorFlow — это бесплатная программная библиотека с открытым исходным кодом для искусственного интеллекта и машинного обучения.

Ядро TPU, разработанного Google, состоит из двух блоков, а именно: MXU (Matrix Multiply Unit) и VPU (Vector Processing Unit). Модуль умножения матриц выполняет матричные вычисления и работает в смешанном 16–32-битном формате с плавающей запятой, тогда как модуль векторной обработки выполняет вычисления с плавающей запятой и int32.

Google разработал Cloud TPU, чтобы предложить исследователям, разработчикам и компаниям максимальную гибкость и производительность. Основная цель разработки TPU — минимизировать время, необходимое для обучения больших и сложных моделей нейронных сетей. Cloud TPU повышает производительность вычислений линейной алгебры, которые используются в приложениях машинного обучения. Благодаря этому TPU могут минимизировать время достижения точности, когда речь идет об обучении больших и сложных моделей нейронных сетей. Если вы обучаете модели нейронных сетей на оборудовании, интегрированном с TPU, это займет несколько часов, тогда как выполнение той же задачи на другом оборудовании может занять недели.

Читать. Означает ли большее количество ядер ЦП более высокую производительность?

TPU, GPU и CPU: сравнение на основе разных факторов

Давайте сравним эти три процессора по разным факторам.

ядра

• ЦП: количество ядер в ЦП включает одно (одноядерный процессор), 4 (четырехъядерный процессор), 8 (восьмиъядерный процессор) и т. д. Количество ядер ЦП прямо пропорционально его производительности, а также делает его многозадачным. .
• GPU: в отличие от CPU, GPU имеет от нескольких сотен до нескольких тысяч ядер. Вычисления в графическом процессоре выполняются в этих ядрах. Следовательно, производительность графического процессора также зависит от количества ядер.
• TPU: по данным Google, один чип Cloud TPU имеет 2 ядра. Каждое из этих ядер использует MXU для ускорения программ за счет плотных матричных вычислений.

Архитектура

• ЦП: ЦП состоит из трех основных частей, а именно: CU, ALU и регистры. Говоря о регистрах, в ЦП существует 5 различных типов регистров. Эти регистры:
  • Аккумулятор
  • Регистр инструкций
  • Регистр адреса памяти
  • Регистр данных памяти
  • Счетчик команд
• Графический процессор: как объяснялось выше, в графическом процессоре имеется от нескольких сотен до нескольких тысяч ядер. Все вычисления, необходимые для выполнения обработки изображений и рендеринга изображений, выполняются в этих ядрах. Архитектурно внутренняя память GPU имеет широкий интерфейс с двухточечным соединением.
• TPU: TPU — это ускорители машинного обучения, разработанные Google. Ускорители машинного обучения могут ускорить выполнение задач машинного обучения. Ядра TPU состоят из MXU и VPU, которые способны выполнять матричные вычисления и вычисления с плавающей запятой соответственно.

Сила

• ЦП: мощность, потребляемая ЦП, зависит от количества ядер, которые он имеет. Восьмиядерный процессор потребляет мощность примерно от 95 до 140 Вт, тогда как 16-ядерный процессор потребляет примерно 165 Вт мощности.
• GPU: GPU может потреблять до 350 Вт энергии.
• TPU: в TPU процесс чтения и записи выполняется в буфере и памяти, благодаря чему может быть достигнута оптимизация энергопотребления.

Читайте: что такое система на кристалле (SoC)?

Что лучше TPU или GPU?

И TPU, и GPU являются процессорами. Первый — это блок тензорной обработки, а второй — блок графической обработки. Работа обоих этих процессоров отличается. Являясь частью графического процессора, работа графического процессора заключается в выполнении вычислений, необходимых для рендеринга изображений. TPU предназначен для обработки нейронной сети с использованием TensorFlow.

Какой из этих двух лучше, зависит от типа приложений, для которых вы их используете. Облачные TPU оптимизированы для конкретных рабочих нагрузок. В некоторых ситуациях для выполнения рабочих нагрузок машинного обучения лучше использовать GPU или CPU. Давайте посмотрим, когда вы сможете использовать TPU и GPU.

Использование графического процессора лучше, чем TPU, для средних и крупных моделей с большими эффективными размерами пакетов, модели с TensorFlow недоступны в облачном TPU и т. д.

Использование TPU лучше, чем GPU, для моделей, требующих матричных вычислений, моделей, обучение которых занимает от недель до месяцев, моделей с большими эффективными размерами пакетов и т. д.

ТПУ быстрее ЦП?

TPU — это тензорный процессор. Google разработал его для обработки нейронной сети с использованием TensorFlow. Цель разработки TPU — минимизировать время, необходимое для обучения моделей нейронных сетей. По данным Google, обучение моделей нейронных сетей на интегрированном оборудовании TPU занимает несколько часов, тогда как на другом оборудовании это может занять от недель до месяцев. Следовательно, TPU быстрее, чем CPU.