GPU如何加速人工智能或机器学习的计算速度

一、Why GPU

其实GPU计算比CPU并不是“效果好”，而是“速度快”。

计算就是计算，数学上都是一样的，1+1用什么算都是2，CPU算神经网络也是可以的，算出来的神经网络放到实际应用中效果也很好，只不过速度会很慢罢了。

GPU的起源

GPU全称叫做graphics processing unit，图形处理器，顾名思义就是处理图形的。

电脑显示器上显示的图像，在显示在显示器上之前，要经过一些列处理，这个过程有个专有的名词叫“渲染”。以前的计算机上没有GPU，渲染就是CPU负责的。渲染是个什么操作呢，其实就是做了一系列图形的计算，但这些计算往往非常耗时，占用了CPU的一大部分时间。而CPU还要处理计算机器许多其他任务。因此就专门针对图形处理的这些操作设计了一种处理器，也就是GPU。这样CPU就可以从繁重的图形计算中解脱出来。

由于GPU是专门为了渲染设计的，那么他也就只能做渲染的那些事情。

渲染这个过程具体来说就是几何点位置和颜色的计算，这两者的计算在数学上都是用四维向量和变换矩阵的乘法，因此GPU也就被设计为专门适合做类似运算的专用处理器了。为什么说专用呢，因为很多事情他做不了。

CPU通用性强，但是专用领域性能低。工程就是折衷，这项强了，别的就弱了。再后来游戏、3D设计对渲染的要求越来越高，GPU的性能越做越强。论纯理论计算性能，要比CPU高出几十上百倍。

人们就想了，既然GPU这么强，那用GPU做计算是不是相比CPU速度能大大提升呢？于是就有了GPGPU（general purpose GPU，通用计算GPU）这个概念。但我们前面提到了，GPU是专门为了图像渲染设计的，他只适用于那些操作。但幸运的是有些操作和GPU本职能做的那些东西非常像，那就可以通过GPU提高速度，比如深度学习。

深度学习中一类成功应用的技术叫做卷积神经网络CNN，这种网络数学上就是许多卷积运算和矩阵运算的组合，而卷积运算通过一定的数学手段也可以通过矩阵运算完成。这些操作和GPU本来能做的那些图形点的矩阵运算是一样的。因此深度学习就可以非常恰当地用GPU进行加速了。

以前GPGPU(通用GPU)概念不是很火热，GPU设计出来就是为了图形渲染。想要利用GPU辅助计算，就要完全遵循GPU的硬件架构。而现在GPGPU越来越流行，厂家在设计和生产GPU的时候也会照顾到计算领域的需求了。

二、GPGPU与GPU的区别

GPU的产生是为了解决图形渲染效率的问题，但随着技术进步，GPU越来越强大，尤其是shader出现之后（这个允许我们在GPU上编程），GPU能做的事越来越多，不再局限于图形领域，也就有人动手将其能力扩展到其他计算密集的领域，这就是GP(General Purpose)GPU。

三、为什么快

比如说你用美图xx软件，给一张图片加上模糊效果的时候，CPU会这么做：

使用一个模糊滤镜算子的小窗口，从图片的左上角开始处理，并从左往右，再从左往右进行游走处理，直到整个图片被处理完成。因为CPU只有一个或者少数几个核，所以执行这种运算的时候，只能老老实实从头遍历到最后。

但是有一些聪明的读者会发现，每个窗口在处理图片的过程中，都是独立的，相互没有关系的。那么同时用几个滤镜窗口来处理是不是更快一些? 于是我们有了GPU, 一般的GPU都有几百个核心，意味着，我们可以同时有好几百个滤镜窗口来处理这张图片。

所以说，GPU起初的设计目标就是为了处理这种图形图像的渲染工作，而这种工作的特性就是可以分布式、每个处理单元之间较为独立，没有太多的关联。而一部分机器学习算法，比如遗传算法，神经网络等，也具有这种分布式及局部独立的特性（e.g.比如说一条神经网络中的链路跟另一条链路之间是同时进行计算，而且相互之间没有依赖的），这种情况下可以采用大量小核心同时运算的方式来加快运算速度。