FPGA比CPU和GPU快的原理是什么

FPGA原理

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

FPGA比CPU和GPU快的原理是什么

CPU和GPU都属于冯·诺依曼结构，指令译码执行，共享内存。FPGA之所以比CPU、GPU更快，本质上是因为其无指令，无共享内存的体系结构所决定的。

冯氏结构中，由于执行单元可能执行任意指令，就需要有指令存储器、译码器、各种指令的运算器、分支跳转处理逻辑。而FPGA的每个逻辑单元的功能在重编程时就已经确定，不需要指令。冯氏结构中使用内存有两种作用：①保存状态。②执行单元间的通信。

1）保存状态：FPGA中的寄存器和片上内存（BRAM）是属于各自的控制逻辑的，无需不必要的仲裁和缓存。

2）通信需求：FPGA每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接在重编程时就已经确定了，并不需要通过共享内存来通信。

计算密集型任务中：

在数据中心，FPGA相比GPU的核心优势在于延迟。FPGA为什么比GPU的延迟低很多？本质上是体系结构的区别。FPGA同时拥有流水线并行和数据并行，而GPU几乎只有数据并行（流水线深度受限）。

处理一个数据包有10个步骤，FPGA可以搭建一个10级流水线，流水线的不同级在处理不同的数据包，每个数据包流经10级之后处理完成。每个处理完成的数据包可以马上输出。而GPU的数据并行方法是做10个计算单元，每个计算单元也在处理不同的数据包，但是所有的计算单元必须按照统一的步调，做相同的事情（SIMD）。这就要求10个数据包必须同进同出。当任务是逐个而非成批到达的时候，流水线并行比数据并行可实现更低的延迟。因此对流水式计算的任务，FPGA比GPU天生有延迟方面的优势。

ASIC在吞吐量、延迟、功耗单个方面都是最优秀的。但是其研发成本高，周期长。FPGA的灵活性可以保护资产。数据中心是租给不同租户使用的。有的机器上有神经网络加速卡，有的有bing搜索加速卡，有的有网络虚拟加速卡，任务的调度和运维会很麻烦。使用FPGA可以保持数据中心的同构性。

通信密集型任务中，FPGA相比GPU、CPU的优势更大。

①吞吐量：FPGA可以直接接上40Gbps或者100Gbps的网线，以线速处理任意大小的数据包；而CPU则需要网卡把数据包接收过来；GPU也可以高性能处理数据包，但GPU没有网口，同样需要网卡，这样吞吐量受到网卡和（或）者CPU的限制。

②延迟：网卡把数据传给CPU，CPU处理后传给网卡，再加上系统中的时钟中断和任务调度增加了延迟的不稳定性。

综上所述，在数据中心里FPGA的主要优势是稳定又极低的延迟，适用于流式的计算密集型任务和通信密集型任务。

FPGA和GPU最大的区别在于体系结构，FPGA更适合做需要低延迟的流式处理，GPU更适合做大批量同构数据的处理。

成也萧何，败也萧何。缺少指令同时是FPGA的优势和软肋。每做一点不同的事情，就要占用一定的FPGA逻辑资源。如果要做的事情复杂、重复性不强，就会占用大量的逻辑资源，其中的大部分处于闲置状态。这时就不如用冯·诺依曼结构的处理器。

FPGA和CPU协同工作，局部性和重复性强的归FPGA，复杂的归CPU。

CPU与GPU的区别揭秘

PU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nVidiaCUDA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。

所以与CPU擅长逻辑控制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。

2、很久以前，大概2000年那时候，显卡还被叫做图形加速卡。一般叫做加速卡的都不是什么核心组件，和现在苹果使用的M7协处理器地位差不多。这种东西就是有了更好，没有也不是不行，只要有个基本的图形输出就可以接显示器了。在那之前，只有一些高端工作站和家用游戏机上才能见到这种单独的图形处理器。后来随着PC的普及，游戏的发展和Windows这样的市场霸主出现，简化了图形硬件厂商的工作量，图形处理器，或者说显卡才逐渐普及起来。

想要理解GPU与CPU的区别，需要先明白GPU被设计用来做什么。现代的GPU功能涵盖了图形显示的方方面面，我们只取一个最简单的方向作为例子。

大家可能都见过上面这张图，这是老版本DirectX带的一项测试，就是一个旋转的立方体。显示出一个这样的立方体要经过好多步骤，我们先考虑简单的，想象一下他是个线框，没有侧面的“X”图像。再简化一点，连线都没有，就是八个点（立方体有八个顶点的）。那么问题就简化成如何让这八个点转起来。首先，你在创造这个立方体的时候，肯定有八个顶点的坐标，坐标都是用向量表示的，因而至少也是个三维向量。然后“旋转”这个变换，在线性代数里面是用一个矩阵来表示的。向量旋转，是用向量乘以这个矩阵。把这八个点转一下，就是进行八次向量与矩阵的乘法而已。这种计算并不复杂，拆开来看无非就是几次乘积加一起，就是计算量比较大。八个点就要算八次，2000个点就要算2000次。这就是GPU工作的一部分，顶点变换，这也是最简单的一部分。剩下还有一大堆比这更麻烦的就不说了。

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。