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CPU 和 GPU 的区别是什么？
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原作者： Magnum Programm Life
原出处：博客园
原文链接： Magnum Programm Life
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以下为正式内容
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CPU和GPU之所以大不相同，是由于其设计目标的不同，它们分别针对了两种不同的应用场景。CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断的处理。这些都使得CPU的内部结构异常复杂。而GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境。
于是CPU和GPU就呈现出非常不同的架构（示意图）：
图片来自nVidia CUDA文档。其中绿色的是计算单元，橙红色的是存储单元，橙黄色的是控制单元。
GPU采用了数量众多的计算单元和超长的流水线，但只有非常简单的控制逻辑并省去了Cache。而CPU不仅被Cache占据了大量空间，而且还有有复杂的控制逻辑和诸多优化电路，相比之下计算能力只是CPU很小的一部分
从上图可以看出：
Cache, local memory： CPU > GPU
Threads(线程数): GPU > CPU
Registers: GPU > CPU 多寄存器可以支持非常多的Thread,thread需要用到register,thread数目大，register也必须得跟着很大才行。
SIMD Unit(单指令多数据流,以同步方式，在同一时间内执行同一条指令): GPU > CPU。
CPU 基于低延时的设计：
CPU有强大的ALU（算术运算单元）,它可以在很少的时钟周期内完成算术计算。
当今的CPU可以达到64bit 双精度。执行双精度浮点源算的加法和乘法只需要1～3个时钟周期。
CPU的时钟周期的频率是非常高的，达到1.532～3gigahertz(千兆HZ, 10的9次方).
大的缓存也可以降低延时。保存很多的数据放在缓存里面，当需要访问的这些数据，只要在之前访问过的，如今直接在缓存里面取即可。
复杂的逻辑控制单元。当程序含有多个分支的时候，它通过提供分支预测的能力来降低延时。
数据转发。 当一些指令依赖前面的指令结果时，数据转发的逻辑控制单元决定这些指令在pipeline中的位置并且尽可能快的转发一个指令的结果给后续的指令。这些动作需要很多的对比电路单元和转发电路单元。
GPU是基于大的吞吐量设计。
GPU的特点是有很多的ALU和很少的cache. 缓存的目的不是保存后面需要访问的数据的，这点和CPU不同，而是为thread提高服务的。如果有很多线程需要访问同一个相同的数据，缓存会合并这些访问，然后再去访问dram（因为需要访问的数据保存在dram中而不是cache里面），获取数据后cache会转发这个数据给对应的线程，这个时候是数据转发的角色。但是由于需要访问dram，自然会带来延时的问题。
GPU的控制单元（左边黄色区域块）可以把多个的访问合并成少的访问。
GPU的虽然有dram延时，却有非常多的ALU和非常多的thread. 为啦平衡内存延时的问题，我们可以中充分利用多的ALU的特性达到一个非常大的吞吐量的效果。尽可能多的分配多的Threads.通常来看GPU ALU会有非常重的pipeline就是因为这样。
所以与CPU擅长逻辑控制，串行的运算。和通用类型数据运算不同，GPU擅长的是大规模并发计算，这也正是密码破解等所需要的。所以GPU除了图像处理，也越来越多的参与到计算当中来。
GPU的工作大部分就是这样，计算量大，但没什么技术含量，而且要重复很多很多次。就像你有个工作需要算几亿次一百以内加减乘除一样，最好的办法就是雇上几十个小学生一起算，一人算一部分，反正这些计算也没什么技术含量，纯粹体力活而已。而CPU就像老教授，积分微分都会算，就是工资高，一个老教授资顶二十个小学生，你要是富士康你雇哪个？GPU就是这样，用很多简单的计算单元去完成大量的计算任务，纯粹的人海战术。这种策略基于一个前提，就是小学生A和小学生B的工作没有什么依赖性，是互相独立的。很多涉及到大量计算的问题基本都有这种特性，比如你说的破解密码，挖矿和很多图形学的计算。这些计算可以分解为多个相同的简单小任务，每个任务就可以分给一个小学生去做。但还有一些任务涉及到“流”的问题。比如你去相亲，双方看着顺眼才能继续发展。总不能你这边还没见面呢，那边找人把证都给领了。这种比较复杂的问题都是CPU来做的。
总而言之，CPU和GPU因为最初用来处理的任务就不同，所以设计上有不小的区别。而某些任务和GPU最初用来解决的问题比较相似，所以用GPU来算了。GPU的运算速度取决于雇了多少小学生，CPU的运算速度取决于请了多么厉害的教授。教授处理复杂任务的能力是碾压小学生的，但是对于没那么复杂的任务，还是顶不住人多。当然现在的GPU也能做一些稍微复杂的工作了，相当于升级成初中生高中生的水平。但还需要CPU来把数据喂到嘴边才能开始干活，究竟还是靠CPU来管的。
什么类型的程序适合在GPU上运行？
（1）计算密集型的程序。所谓计算密集型(Compute-intensive)的程序，就是其大部分运行时间花在了寄存器运算上，寄存器的速度和处理器的速度相当，从寄存器读写数据几乎没有延时。可以做一下对比，读内存的延迟大概是几百个时钟周期；读硬盘的速度就不说了，即便是SSD, 也实在是太慢了。
（2）易于并行的程序。GPU其实是一种SIMD(Single Instruction Multiple Data)架构， 他有成百上千个核，每一个核在同一时间最好能做同样的事情。
CPU是十项全能，GPU是偏科的天才。
教授 vs 小学生
你可以简单的将CPU理解为学识渊博的教授，什么都精通，而GPU则是一堆小学生，只会简单的算数运算，可即使教授再神通广大，也不能一秒钟内计算出500次加减法， 因此对简单重复的计算来说单单一个教授敌不过数量众多的小学生 ，在进行简单的算数运算这件事上，500个小学生(并发)可以轻而易举打败教授。
因此我们可以看到，CPU和GPU的最大不同在于架构，CPU适用于广泛的应用场景(学识渊博)，可以执行任意程序，而GPU则专为多任务而生，并发能力强，具体来讲就是多核，一般的CPU有2核、4核、8核等，而GPU则可能会有成百上千核：
可以看到，CPU内部cache以及控制部分占据了很大一部分片上面积，因此计算单元占比很少，再来看看GPU，GPU只有很简单的控制单元，剩下的大部分都被计算单元占据，因此CPU的核数有限，而GPU则轻松堆出上千核：
只不过CPU中每个核的能力好比教授，而GPU的每个核的能力好比一个小学生，关于CPU你可以参考这里：
你可能会想，为什么GPU需要这么奇怪的架构呢？
为什么GPU需要这么多核心？
想一想计算机上的一张图是怎么表示的？无非就是屏幕上的一个个像素：
我们需要为每个像素进行计算， 而且是相同的运算 ，就好比刚才例子中的小学生计算计加法一样，注意，对于屏幕来说一般会有上百万个像素，如果我们要串行的为每一个像素进行运算效率就太低了，因此我们可以让GPU中的每一个核心去为相应的像素进行计算，由于GPU中有很多核心，因此并行计算可以大幅提高速度。
现在你应该明白为什么GPU要这样工作了吧。
除了GPU的核心数比较多之外，GPU的工作方式也比较奇怪。
奇怪的工作方式
对 CPU 来说，不同的核心可以执行不同的机器指令，coreA在运行word线程的同时coreB上可以运行浏览器线程，这就是所谓的多指令多数据，MIMD，(Multiple Instruction, Multiple Data)。
而GPU则不同， GPU上的这些核心必须整齐划一的运行相同的机器指令 ，只是可以操作不同的数据，这就好比这些小学生在某个时刻必须都进行加法计算，不同的地方在于有的小学生可能需要计算1+1，有的要计算2+6等等，变化的地方仅在于操作数，这就是所谓的单指令多数据，SIMD，(Single Instruction, Multiple Data)。
因此我们可以看到GPU的工作方式和CPU是截然不同的。
除了这种工作方式之外，GPU的指令集还非常简单，不像CPU这种复杂的处理器，如果你去看CPU的编程手册就会发现，CPU负责的事情非常多：中断处理、内存管理、IO等等，这些对于GPU来说都是不存在的，可以看到GPU的定位非常简单，就是纯计算，GPU绝不是用来取代CPU的，CPU只是把一些GPU非常擅长的事情交给它，GPU仅仅是用来分担CPU工作的配角。
CPU和GPU是这样配合工作的：
GPU擅长什么
比较适合GPU的计算场景是这样的：1)计算简单；2）重复计算，因此如果你的计算场景和这里的图像渲染相似那么使用GPU就很合理了。
因此对于图形图像计算、天气预报以及神经网络等都适用于GPU，哦对了，GPU还适合用来挖矿。
好啦，这个话题今天就到这里，希望这篇对大家理解GPU有所帮助。
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