为什么GPU比CPU更适合做机器学习训练？

本文介绍GPU的架构，以及GPU为什么适用于AI工作负载，为什么GPU比CPU会更擅长训练机器学习模型，以及如何选择GPU的配置。

GPU的核心优势：并行处理

GPU最大的特点就是并行处理能力强，之所以这么强，离不开它的处理器架构。

深度学习依赖矩阵运算，这种计算通过GPU提供的并行计算能力得以有效执行。

比如，模型需要拿到输入数据的，比如数据的是一张图片，就需要通过关联矩阵识别图片中的特定对象。矩阵会总结一个数据集，识别出模式，最后会返回一个结果。如果识别出对象，模型就将其标记为“True”；否则，标记为“False”。

图 1. 简化的深度学习训练过程

常见的深度学习模型大约都有数十亿个参数，每个参数都对用于矩阵计算中的权重大小作出贡献。每次进行"True"、"False"识别时，都要利用这数十亿个参数执行数十亿次的矩阵计算。

值得注意的是，这些矩阵计算是并行执行的。恰好，GPU由于其并行处理能力，非常适合进行此类操作。这种能力是通过将更多晶体管专用于数据处理来实现的。

核心架构：张量核心

英伟达的张量核心（Tensor cores）是硬件为深度学习以及AI优化的典型产物。张量核心是一种特殊的处理器，它专门为深度学习所需的数学计算而设计，此前的核心还被用于视频渲染和3D图形处理。

这里的“张量”指的是张量计算，即矩阵计算。张量其实就是一种数学概念，如果一个张量有两个维度，那么它就是一个矩阵

上图展示的是Volta架构的显卡的矩阵运算（图：英伟达）

从2017年开始，英伟达在Volta架构的显卡中加入Tensor Core张量核心。比如，Tesla V100有640个张量核心，是英伟达专门为人工智能打造的显卡之一。这些有了张量核心的芯片对深度学习行业发展有推动作用。

多GPU集群

推动机器学习训练发展的另外一个重大创新是多GPU集群。其实就是通过让多个GPU一起干活儿，大幅提高吞吐量。这在训练具有数十亿乃至数万亿参数的大模型时特别有用。

这种场景下，最有效的方法是使用NVLink和InfiniBand等网络技术来横向连接多个GPU。这些高速接口允许GPU绕开CPU这个中间商，直接交换数据，这能大幅提高数据交互的效率。

上图展示的是通过NVLink连接多个H100的示意图（图：英伟达）

NVLink是英伟达开发的高速互联技术，用于GPU与GPU，GPU与CPU之间连接的技术，为了提高连接的灵活性和复杂性，还开发了NVLink Switch系统，通过这套交换机系统，在一个集群里，用户可以最多连接256块显卡，获得超强的带宽。

当一个集群里有这么多显卡的时候，训练大型模型的时间就能大大缩短。尽管市场上也有很多同样专注于AI场景的显卡厂商，但英伟达是不折不扣的领导者。

GPU与CPU的对比

CPU通常是按顺序执行任务，遵循先进先出（FIFO）的原则。这意味着CPU处理任务是串行的，即一个任务完成后才开始下一个任务。由于CPU通常只用一个核心来执行一个接着一个的任务，所以它们更适合处理串行任务。

此外，CPU支持的指令种类比GPU多，能执行更多种类的任务，并且与计算机的更多组件如ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）、BIOS（基本输入输出系统）和输入/输出端口等进行交互。

GPU则主要进行并行处理，通过将任务分配给多个核心来处理任务。GPU可以看作是一种高级计算器：它只能接收有限的指令集，并且只能执行与图形和人工智能相关的任务，比如矩阵乘法。

在面对并行计算时，这实际上是一个优势，因为它允许有更多的核心专门用于这些操作，可以通过大量并行操作来提高任务执行的效率。

不难发现，一般的消费级显卡有几百到几千甚至上万个核心，这些核心可以快速并行执行简单的操作。而常见的消费级CPU则有2到16个核心，这些核心主要用来执行复杂的顺序操作。

简单来说，对于深度学习、机器学习负载，GPU更适合，因为它提供了更多的核心来更快地执行必要的计算。

常见的CPU是2到16核，而GPU的Core经常好几千（4090有16384个CUDA核心）

GPU的并行处理能力，主要是通过将更多的晶体管用于数据处理来实现的。与依赖于数据缓存和复杂流程控制的CPU不同，GPU的并行计算能力可以大幅降低数据访问延迟，提高计算效率。

CPU运行时，经常需要去缓存中找数据，如果缓存中没有，就得从内存中去找，这样就造成了延迟，会减慢程序的执行速度。

而GPU有许多核心来同时执行计算，当一部分核心在等待数据从内存中读取时，其他核心可以继续执行其他计算任务，这样就减少了总体延迟。

此外，GPU用的是显存，比如，GDDR5还有GDDR6，这些也都比CPU常用的DRAM，比如DDR3和DDR4要更快。

为什么GPU比CPU更适合做机器学习训练

深度学习任务通常需要在内存和处理核心之间传输大量数据，这就要求有一个高效的内存架构来支持这种高速数据传输。

显卡有一种特别优化的内存架构，能够提供比CPU更高的内存带宽。即使显卡的内存容量技术上与CPU相同或更少，它们仍能实现更高的数据传输速率。

GPU常使用高带宽内存（HBM），这种内存专为提供高速数据传输而设计。例如，一块只有32GB HBM的显卡可以达到极高的内存带宽，还有14 TFLOPS（每秒万亿次浮点运算）的计算能力。

相比之下，CPU即使有数百GB的内存，也只能提供很低的带宽和很低的计算能力。当然，为了解决这一问题，英特尔也推出了支持HBM内存的至强CPU MAX系列，这一产品主要用于高性能计算领域，而非通用计算领域。

考虑到显卡其实比较贵，对于一些轻度使用的用户，或者明确知道自己要用GPU做什么的时候，除了直接下手买，也可以考虑使用云上的GPU资源。

至少在机器学习场景，GPU经常是更合适的选择，要处理的规模越大，GPU的优势就越明显。

也有人会说，这些也都不一定。

有些AMD的处理器，比如AMD的EPYC 9004系列，在某些人工智能（AI）工作负载上比消费级GPU还要快。

某些算法优化可以使深度学习模型在CPU上训练得更好。例如，赖斯大学的工程学院开发了一种算法，使得CPU在某些AI任务上比GPU快15倍。

在深度学习模型的精度要求不高时，可以使用量化和量化感知训练技术来训练DL模型，将它们四舍五入为整数。CPU在处理整数时比GPU快，此时的速度会更快，但结果可能不那么精确。

不过，使用CPU进行深度学习训练仍是非主流的做法，大多数深度学习模型都是为并行计算设计的，就是面向GPU硬件而设计的。大部分人还是会直接选择GPU。