高性能計(jì)算系列之四-高性能計(jì)算中FPGA,GPU和CPU-創(chuàng)新互聯(lián)

1. 高性能計(jì)算中FPGA,GPU和CPU的簡介

近年來，傳統(tǒng)用于圖像處理的GPU逐漸被發(fā)掘用來進(jìn)行高性能計(jì)算，并且達(dá)到了相當(dāng)好的效果，在單精度浮點(diǎn)運(yùn)算中的速度達(dá)到5TFLOPs，在雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算中的速度可以達(dá)到1TFLOPs。如今性能最好的GPU處理器（比如NVidea的Tesla K20和K40）與一些其他的多核處理器（比如Intel Xeon Phi處理器以及IBM和Inter的一些處理器）相比表現(xiàn)出了非常好的計(jì)算性能。

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FPGA傳統(tǒng)上是應(yīng)用于單精度的定點(diǎn)運(yùn)算，不過現(xiàn)在也可以浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行高性能的計(jì)算，單精度浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算峰值已經(jīng)超過1TFLOPs。但是運(yùn)算的峰值并不能代表在特定環(huán)境下器件的持續(xù)工作性能，比如在計(jì)算2級的FFT時，Inter的80-teraflop持續(xù)工作性能只能達(dá)到其峰值性能的2.73%（20GFLOPs）。FPGA工作在一個較低的頻率下，運(yùn)算峰值較低，但是可以通過硬件優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對特定應(yīng)用的更好的運(yùn)行效率，即持續(xù)性能能達(dá)到更接近峰值運(yùn)算性能的值，同時與GPU和CPU相比FPGA的功率效率更高。

一個特定的應(yīng)用在不同的平臺上運(yùn)算是不一樣的，對于運(yùn)算結(jié)果的評估可以基于以下幾點(diǎn)：性能、功耗、功率效率、運(yùn)行效率、成本以及其他。在本文中，我們分析每個期間在峰值性能以及能耗方面的發(fā)展趨勢，并對三者在一些科學(xué)應(yīng)用的持續(xù)性能進(jìn)行對比，找出對于某一特定應(yīng)用的最佳運(yùn)算平臺。

2. 峰值計(jì)算性能發(fā)展趨勢

2.1 GPU

GPU最初被設(shè)計(jì)用來進(jìn)行圖像處理并在該方面顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢，近10年來GPU逐漸被應(yīng)用到通用計(jì)算領(lǐng)域，一般稱為GPGPU?；谄鋸?qiáng)大的并行計(jì)算能力，在一些其他的計(jì)算分析方面其性能早已可與多核CPU相媲美。

觀察多代GPU的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)其峰值性能并不是簡單的線性增長，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算都是這樣。我們沒有辦法去簡單的描述GPU的全面的發(fā)展，因?yàn)楦鞣NGPU的結(jié)構(gòu)非常多，所以在此只挑出在某個年份的最佳性能的一些GPU進(jìn)行分析。

每一代GPU之間的性能提升超過1TFLOP，同時右圖中可知在某些年份工藝技術(shù)沒有提升，但是性能提升了，說明性能的增長不僅與新的制造工藝有關(guān)也與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有關(guān)。單精度和雙精度的性能差距由最初的相差10倍降到了最新一代的只差4倍左右。

關(guān)于能耗方面，GPU的功率效率（峰值性能與熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）的比值）也是在穩(wěn)定則增長，單精度的功率效率由最初的0.5GFLOPs/W增加到了GFLOPs/W，雙精度的功率效率由0.5GFLOPs/W增加到了6GFLOPs/W。這意味著GPU以一個增長的功率效率提供著一個驚人的運(yùn)算性能。

GPU的外部存儲帶寬也非常高，Geforce 6800的帶寬為35 GBytes/s，K20， K20X 和 K40的帶寬分別為208，250和288 GBytes/s。.

2.2 多核CPU

通用CPU的峰值運(yùn)算性能在近年來也獲得了顯著提升，圖2中顯示了部分Intel的著名CPU的峰值運(yùn)算性能。

Intel最近推出的Xeon PHI 7120P處理器的峰值運(yùn)算性能可以達(dá)到單精度2416GFLOPs，雙精度1208GFLOPs，Intel處理器計(jì)算性能的提升靠的是增加CPU的核數(shù)，這些處理器的功率效率和GPU相比較低。最初65nm技術(shù)的CPU的功率效率為0.1 GFLOPs/W，目前22nm技術(shù)下的CPU的功率效率已經(jīng)增加到單精度9 GFLOPs/W，雙精度4.5 GFLOPs/W。

在Intel的這些處理器中，2008年出的一款多核處理器在3.16GHz頻率1.07V電壓下，峰值運(yùn)算速度可以達(dá)到單精度1 TFLOP。CPU或者多核CPU的存儲器帶寬也很高。比如Xeon PHI 7120P的帶寬為352GBytes/s，比最近出的GPU稍微高一些。

2.3 FPGA

FPGA的峰值運(yùn)算性能由它所包含的乘法器和LUT的資源決定，觀察Xilinx公司的一些產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)乘法器和LUT的資源并不是線性增長的（如圖3所示）。最新的Virtex7系列FPGA中 XC7VX980T含有3600個18*18的乘法器和612000個LUT，XC7V2000T含有2160個乘法器和1221600個LUT。

如果要分析FPGA的峰值運(yùn)算性能，我們需要考慮三種情況：只有加法器，只有乘法器，有乘法器和加法器。加法器可以只通過LUT就可以實(shí)現(xiàn)，而乘法器的實(shí)現(xiàn)則需要DSP和LUT的不同組合（組合結(jié)構(gòu)為M0，M1，M2）。乘加運(yùn)算真是這些乘法器和加法器的一一組合。

對于雙精度的峰值運(yùn)算，只含有加法器運(yùn)算的最佳的峰值運(yùn)算性能出現(xiàn)在XC7V2000T FPGA中，為671GFLOPs；只含有乘法器運(yùn)算的最佳峰值運(yùn)算性能降為168GFLOPs；加法器和乘法器的組合運(yùn)算的最佳運(yùn)算性能為302GFLOPs，由XC7VX980T獲得。

FPGA的功率效率超過10GFLOPs/W，一般來說是比CPU和GPU要高的，而且隨著技術(shù)的發(fā)展FPGA的功率效率也會繼續(xù)不斷提升。比如Altera的一款能達(dá)到5TFLOPs的高性能FPGA就應(yīng)用了Intel的14nm Tri-Gate，功率效率達(dá)到100GFLOPs。

2.4 峰值計(jì)算性能的趨勢

為了更好的理解GPU，CPU，F(xiàn)PGA的相對發(fā)展，下面選取他們中在某些年最佳的性能的產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行比較，包含單精度和雙精度的運(yùn)算，結(jié)果如圖6，圖7所示。

在單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算中，GPU的性能一直是遙遙領(lǐng)先。在2011年FPGA和CPU的性能都有很大提升，而在2013年CPU的性能仍然在提升，而FPGA相對于GPU 的性能下降了。在2013年之前，F(xiàn)PGA的性能一直優(yōu)于CPU，但在2013年，出現(xiàn)了多核CPU比如Intel Phi，因此情況改變了。

對于雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，可以看到GPU的性能除了在前幾年表現(xiàn)的差強(qiáng)人意，在2011年之后則一直領(lǐng)跑后兩者。同時在2011年之后CPU的性能也超過了FPGA，而且在2013年CPU和GPU的性能也已經(jīng)很接近了，大概只相差5%。

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當(dāng)前名稱：高性能計(jì)算系列之四-高性能計(jì)算中FPGA,GPU和CPU-創(chuàng)新互聯(lián)
文章鏈接：http://www.bm7419.com/article14/cdjgge.html

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