Почему мы все еще используем процессоры вместо графических процессоров?

Ответ TL; DR: у графических процессоров гораздо больше процессорных ядер, чем у процессоров, но поскольку каждое ядро ​​графического процессора работает значительно медленнее, чем ядро ​​процессора, и не обладает функциями, необходимыми для современных операционных систем, они не подходят для выполнения большей части обработки в повседневной жизни. вычисления. Они больше всего подходят для вычислительных операций, таких как обработка видео и физическое моделирование.

GPGPU - все еще относительно новая концепция. Графические процессоры изначально использовались только для визуализации графики; По мере развития технологий большое количество ядер в графических процессорах по сравнению с процессорами использовалось для разработки вычислительных возможностей для графических процессоров, чтобы они могли обрабатывать множество параллельных потоков данных одновременно, независимо от того, какими могут быть эти данные. Хотя графические процессоры могут иметь сотни или даже тысячи потоковых процессоров, каждый из них работает медленнее, чем ядро ​​процессора, и имеет меньше возможностей (даже если они выполнены по Тьюрингу и могут быть запрограммированы для запуска любой программы, которую может запустить процессор). Функции, отсутствующие в графических процессорах, включают прерывания и виртуальную память, которые необходимы для реализации современной операционной системы.

Другими словами, процессоры и графические процессоры имеют существенно различную архитектуру, что делает их более подходящими для различных задач. Графический процессор может обрабатывать большие объемы данных во многих потоках, выполняя с ними относительно простые операции, но он не подходит для интенсивной или сложной обработки одного или нескольких потоков данных. Процессор намного быстрее для каждого ядра (с точки зрения количества команд в секунду) и может легче выполнять сложные операции с одним или несколькими потоками данных, но не может эффективно обрабатывать много потоков одновременно.

В результате, графические процессоры не подходят для выполнения задач, которые не приносят существенной выгоды или не могут быть распараллелены, включая многие распространенные потребительские приложения, такие как текстовые процессоры. Кроме того, графические процессоры используют принципиально другую архитектуру; для его работы нужно было бы запрограммировать приложение специально для графического процессора, и для программирования графических процессоров требуются существенно разные методы. Эти различные методы включают в себя новые языки программирования, модификации существующих языков и новые парадигмы программирования, которые лучше подходят для выражения вычислений как параллельной операции, выполняемой многими потоковыми процессорами. Для получения дополнительной информации о методах, необходимых для программирования графических процессоров, см. Статьи Википедии о потоковой обработке и параллельных вычислениях .

Современные графические процессоры способны выполнять векторные операции и арифметику с плавающей запятой, а новейшие карты способны манипулировать числами с плавающей запятой двойной точности. Фреймворки, такие как CUDA и OpenCL, позволяют писать программы для графических процессоров, а природа графических процессоров делает их наиболее подходящими для высокопараллелизируемых операций, таких как в научных вычислениях, где серия специализированных вычислительных карт на графических процессорах может быть жизнеспособной заменой небольшого размера. вычислительный кластер, как в NVIDIA Tesla Personal Supercomputers . Потребители с современными графическими процессорами, которые имеют опыт работы с Folding @ home, могут использовать их для взаимодействия с клиентами графических процессоров, которые могут выполнять моделирование свертывания белка на очень высоких скоростях и вносить больше работы в проект (обязательно прочитайте часто задаваемые вопросыво-первых, особенно те, которые связаны с графическими процессорами). Графические процессоры также могут обеспечить лучшее физическое моделирование в видеоиграх с использованием PhysX, ускорить кодирование и декодирование видео и выполнять другие задачи, требующие больших вычислительных ресурсов. Именно эти типы задач наиболее подходят для выполнения графических процессоров.

AMD является пионером в разработке процессоров под названием Accelerated Processing Unit (APU), которая сочетает в себе обычные процессорные ядра x86 с графическими процессорами. Этот подход обеспечивает графическую производительность, значительно превосходящую встроенные в материнскую плату графические решения (хотя и не подходит для более дорогих дискретных графических процессоров), и позволяет создать компактную недорогую систему с хорошей производительностью мультимедиа без необходимости использования отдельного графического процессора. Новейшие процессоры Intel также предлагают встроенную встроенную графику, хотя конкурентоспособная интегрированная производительность графического процессора в настоящее время ограничена несколькими чипами с Intel Iris Pro Graphics. Поскольку технология продолжает развиваться, мы увидим растущую степень сближения этих когда-то отдельных частей. AMD предусматриваетбудущее, где центральный процессор и графический процессор - одно целое, способное беспрепятственно работать вместе над одной и той же задачей .

Тем не менее, многие задачи, выполняемые операционными системами и приложениями ПК, все еще лучше подходят для процессоров, и для ускорения программы с использованием графического процессора требуется много работы. Поскольку так много существующего программного обеспечения используют архитектуру x86, а поскольку для графических процессоров требуются различные методы программирования и отсутствуют некоторые важные функции, необходимые для операционных систем, общий переход от ЦП к графическому процессору для повседневных вычислений является очень трудным.

Что делает GPU намного быстрее, чем процессор?

Графический процессор не быстрее центрального процессора. CPU и GPU разработаны с двумя разными целями, с разными компромиссами, поэтому они имеют разные характеристики производительности. Некоторые задачи выполняются быстрее в процессоре, в то время как другие задачи быстрее вычисляются в графическом процессоре. Процессор превосходен в выполнении сложных манипуляций с небольшим набором данных, а графический процессор - в выполнении простых манипуляций с большим набором данных.

Графический процессор представляет собой специализированный процессор, разработанный таким образом, чтобы одна инструкция работала с большим блоком данных (SIMD / Single Instruction Multiple Data), причем все они применяли одну и ту же операцию. Работа с блоками данных, безусловно, более эффективна, чем работа с одной ячейкой за раз, поскольку при декодировании инструкций значительно сокращаются издержки, однако работа с большими блоками означает, что имеется больше параллельных рабочих блоков, поэтому в ней используется гораздо больше транзисторов. реализовать одну инструкцию GPU (вызывая ограничение физического размера, используя больше энергии и выделяя больше тепла).

ЦП предназначен для максимально быстрого выполнения одной инструкции по одному элементу данных. Поскольку ему нужно работать только с одним датумом, количество транзисторов, необходимых для реализации одной инструкции, намного меньше, поэтому процессор может позволить себе иметь больший набор команд, более сложный ALU, лучшее предсказание ветвления, лучшую виртуализацию архитектура и более сложные схемы кэширования / конвейера. Его циклы инструкций также быстрее.

Причина, по которой мы все еще используем CPU, не в том, что x86 является королем архитектуры CPU, а Windows написана для x86, а причина, по которой мы все еще используем CPU, заключается в том, что задачи, которые должна выполнять ОС, то есть принятие решений, работает более эффективно на архитектуре процессора. Операционная система должна смотреть на сотни различных типов данных и принимать различные решения, которые все зависят друг от друга; Такая работа не может быть легко распараллелена, по крайней мере, в архитектуру SIMD.

В будущем мы увидим конвергенцию между архитектурой CPU и GPU, поскольку CPU приобретает способность работать с блоками данных, например SSE. Кроме того, по мере совершенствования технологии производства и уменьшения количества микросхем графический процессор может позволить выполнять более сложные инструкции.

Отсутствие графических процессоров:

1. Виртуальная память (!!!)
2. Средства адресации устройств, отличных от памяти (например, клавиатуры, принтеры, дополнительное хранилище и т. Д.)
3. Прерывания

Они нужны для того, чтобы иметь возможность реализовать что-либо подобное современной операционной системе.

Они также (относительно) медленны при арифметике с двойной точностью (по сравнению с их арифметикой с одинарной точностью) * и намного больше (с точки зрения размера кремния). Старые архитектуры GPU не поддерживают косвенные вызовы (через указатели функций), необходимые для большинства программ общего назначения, и более поздние архитектуры, которые делают это медленно. Наконец, (как отмечалось в других ответах) для задач, которые нельзя распараллелить, графические процессоры проигрывают по сравнению с центральными процессорами при одинаковой рабочей нагрузке.

РЕДАКТИРОВАТЬ : Обратите внимание, что этот ответ был написан в 2011 году - технология графических процессоров постоянно меняется. Вещи могут быть очень разными в зависимости от того, когда вы читаете это: P

* Некоторые графические процессоры не медленны в арифметике двойной точности, например, линии NVidia Quadro или Tesla (поколение Fermi или новее), или линия AMD FirePro (поколение GCN или новее). Но это не в машинах большинства потребителей.

Процессор похож на работника, который работает очень быстро. Графический процессор похож на группу рабочих-клонов, которые работают быстро, но все они должны делать одно и то же в унисон (за исключением того, что некоторые клоны могут сидеть без дела, если хотите)

Что бы вы предпочли в качестве вашего коллеги-разработчика, одного суперскоростного парня или 100 быстрых клонов, которые на самом деле не такие быстрые, но все они должны выполнять одни и те же действия одновременно?

Для некоторых действий клоны довольно хороши, например, подметать пол - каждый может подмести часть этого.

Для некоторых действий клоны воняют, например, пишут еженедельный отчет - все клоны, кроме одного, простаивают, а один клон пишет отчет (в противном случае вы просто получаете 100 копий одного и того же отчета).

Потому что графические процессоры предназначены для одновременного выполнения множества мелких задач, а центральные процессоры - для выполнения только одного. Если ваш процесс можно сделать массово параллельным, как, например, хеширование, графический процессор будет на несколько порядков быстрее, иначе этого не произойдет.

Ваш процессор может вычислять хеш намного, намного быстрее, чем ваш графический процессор, но время, которое требуется вашему процессору, может составить часть пути через несколько сотен хешей. Графические процессоры предназначены для одновременного выполнения множества задач, а центральные процессоры предназначены для одновременного выполнения одной операции, но очень быстро.

Проблема в том, что процессоры и графические процессоры - это очень разные решения для самых разных проблем, есть небольшое совпадение, но в целом то, что находится в их домене, остается в их домене. Мы не можем заменить процессор на графический процессор, потому что процессор сидит там и выполняет свою работу намного лучше, чем когда-либо мог графический процессор, просто потому, что графический процессор не предназначен для этой работы, а процессор - это.

Небольшое примечание, хотя, если бы можно было утилизировать процессор и иметь только графический процессор, не думаете ли вы, что мы его переименуем? :)

Вы действительно спрашиваете, почему мы не используем GPU-подобные архитектуры в CPU?

GPU - это просто специализированный процессор видеокарты. Мы предоставляем графические вычисления без графических вычислений, потому что процессоры общего назначения просто не соответствуют нормам параллельного выполнения и выполнения с плавающей запятой.

На самом деле мы используем разные (более графические) архитектуры ЦП. Например, процессоры Niagara довольно многозадачны. SPARC T3 будет работать 512 одновременных потоков.

Я мог бы быть здесь ужасно ошибочным, и я говорю с небольшим или никаким авторитетом по этому вопросу, но здесь идет:

• Я считаю, что каждый исполнительный блок GPU («ядро») имеет очень ограниченное адресное пространство по сравнению с процессором.

• Исполнительные блоки GPU не могут эффективно справляться с ветвлением.

• Исполнительные блоки GPU не поддерживают аппаратные прерывания так же, как центральные процессоры.

Я всегда думал, что такими, какими должны быть исполнительные блоки GPU, являются что-то вроде «SPE» Playstation 3, они хотят получить блок данных, выполнить ряд последовательных операций над ним, а затем выплюнуть еще один блок данные, промыть, повторить. У них не так много адресуемой памяти, как у основного «CPE», но идея состоит в том, чтобы посвятить каждый «SPE» определенной, последовательной задаче. Выход одного блока может питать вход другого блока.

Исполнительные блоки не работают хорошо, если они пытаются «проанализировать» данные и принять кучу решений, основанных на том, что это за данные.

Эти «блоки данных» могут быть частью потока, например, список вершин из таблицы состояний игры, данные MPEG с диска и т. Д.

Если что-то не соответствует этой «потоковой» модели, тогда у вас есть задача, которая не может быть эффективно параллелизирована, и GPU не обязательно является лучшим решением для нее. Хороший пример - обработка таких вещей, как «внешнее событие», таких как клавиатура, джойстик или сетевой ввод. Есть не так много вещей, которые не соответствуют этой модели, но всегда будет несколько.

Это не имеет ничего общего с тактовой частотой или целью. Они оба одинаково способны выполнять большинство, если не все задачи; однако некоторые из них лучше подходят для некоторых задач, чем другие.

Был очень старый спор о том, лучше ли иметь много тупых ядер или небольшую группу очень умных ядер. Это легко восходит к 80-м годам.

Внутри процессора есть много возможных расчетов, которые можно сделать. Более умные ядра способны выполнять много разных вычислений одновременно (вроде как многоядерные, но не сложные, см. Параллелизм на уровне команд ). Интеллектуальное ядро ​​может выполнять несколько вычислений одновременно (сложение, вычитание, умножение, деление, операции с памятью), но только по одному за раз; из-за этого они физически больше (и, следовательно, намного дороже), чем более тупые ядра.

Тупое ядро ​​намного меньше, и поэтому к одному чипу можно добавить больше, но не в состоянии выполнять столько же одновременных вычислений. Существует хороший баланс между многими тупыми ядрами и несколькими умными ядрами.

Многоядерные архитектуры хорошо работают с графикой, поскольку расчеты можно легко разделить на сотни ядер, но это также зависит от качества кода и от того, полагается ли другой код на результат одного вычисления.

Это гораздо более сложный вопрос, чем может показаться. Для получения дополнительной информации прочитайте эту статью о дизайне процессора:

Современные микропроцессоры - руководство за 90 минут

http://www.lighterra.com/papers/modernmicroprocessors/

Я хотел бы затронуть один синтаксический момент: термины CPU и GPU являются функциональными именами, а не архитектурными.

Если бы компьютер использовал графический процессор в качестве основного процессора, он стал бы «центральным процессором» (ЦП) независимо от архитектуры и дизайна.

Важно помнить, что в пространстве архитектуры нет волшебной разделительной линии, которая делает один процессор «центральным», а другой - «графическим». (Ну, некоторые графические процессоры могут быть слишком ограниченными, чтобы быть полностью общими, но это не те, о которых мы здесь говорим.)

Различие заключается в том, как они установлены на плате и какие задачи им даны. Разумеется, мы используем процессоры общего назначения (или набор процессоров общего назначения) для основного движителя данных и специальный параллельный, глубоко конвейерный модуль для вещей (например, графики), чтобы наилучшим образом использовать их преимущества.

Большинство хитрых приемов, которые использовались для того, чтобы заставить GPU выполнять свою работу очень быстро, были впервые разработаны людьми, пытающимися сделать более быстрые и лучшие процессоры. Оказывается, что Word, Excel, Netscape и многие другие вещи, для которых люди используют свои компьютеры, не только не в полной мере используют возможности, предлагаемые специализированными графическими чипами, но даже работают медленнее на этих архитектурах, потому что ветвление часто (очень дорого) и медленно) трубопровод очищает.