什么是加速计算？加速计算的应用场景和解决方案

随着科技的发展，处理大量数据和进行复杂计算的需求越来越高，人工智能、大数据和物联网等领域更是如此，传统的计算方式已经无法满足这些需求。因此，加速计算作为一种现代计算方式，成了必要的手段。加速计算具有前所未有的处理能力，在云基础设施中发挥着核心作用，因为它有助于更高效、更有效地管理数据中心的海量信息。此外，加速计算还能提供必要的计算能力和内存，以便更高效地训练和实施 GPT-4 等高级生成式人工智能模型。这种能力可加快训练时间、处理大型数据集和开发日益复杂的模型。

加速计算利用 GPU、ASIC、TPU 和 FPGA 等专用硬件来执行比 CPU 更高效的计算，从而提高速度和性能。它尤其适用于可并行化的任务，如高性能计算、深度学习、机器学习和人工智能。

加速计算发展迅速，各种硬件和软件解决方案如 GPU、ASIC、TPU、FPGA、CUDA、OpenCL 和网络技术层出不穷。下面我们来深入了解一下加速计算，就能明白为何它会成为 AI 时代的计算力“新宠”。

什么是加速计算

加速计算是指使用专用硬件来执行某些类型的计算，其效率要比仅使用通用中央处理器（CPU）高。利用图形处理单元（GPU）、专用集成电路（ASIC）（包括张量处理单元（TPU））和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）等设备的强大功能，以更高的速度执行计算，从而加速计算过程，一般我们也将这些设备称之为加速器。

这些加速器尤其适用于可被分解为较小并行任务的项目，如高性能计算 (HPC)、深度学习、机器学习、人工智能和大数据分析。通过将指定类型的工作分派到这些专用加速计算硬件上，大大提高了系统的性能和效率。

加速计算因其高效处理海量数据的能力，从而推动了机器学习、AI、实时分析和科学研究的进步。加速计算在图形、游戏、边缘计算和云计算领域的影响力与日俱增，是数据中心等数字基础设施的骨干力量。随着对更强大应用和系统的需求日益增长，传统的 CPU 方法难以与加速计算竞争，而加速计算可提供更快、更具成本效益的性能升级。

加速计算解决方案

加速计算解决方案涉及硬件、软件和网络的结合。这些解决方案专门用于提高复杂计算任务的速度和效率。

硬件

硬件加速器是加速计算的基础，这些加速器包括图形处理器 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA)。

GPU

图形处理器（GPU）广泛用于各种计算密集型任务，其优势在于可以同时执行许多复杂的计算，因此非常适合高性能计算（HPC）和机器学习中的神经网络训练等任务。

英伟达公司数据中心和计算密集型任务（机器学习、人工智能）的 GPU 市场上处于领先地位。该公司用于数据中心的主要 GPU 架构包括 Hopper (H100) 和 Ampere (A100)。值得一提的是，H100 GPU 非常适合加速涉及大型语言模型 (LLM)、深度推荐系统、基因学和复杂数字孪生的应用。

应用型专用集成电路 ASIC

应用型专用集成电路（ASIC）是为执行特定任务而设计的定制芯片，与 CPU 不同， CPU 可处理各种应用。由于专用集成电路是为特定功能定制的，因此执行任务的效率比 CPU 更高，在速度、功耗和整体性能方面都具有优势。

我们常常在科技文章中看到的神经处理单元（NPU）和深度学习处理器（DLP）就是 ASIC 中的一员，还有谷歌的张量处理单元（TPU）也是 ASIC 下的一员猛将。TPU 专为加速机器学习工作荷载而设计，它们被广泛应用于语言翻译、谷歌助手中的语音识别和智能化广告排名等项目中。

现场可编程逻辑门阵列 FPGA

现场可编程逻辑门阵列（FPGA）是一种半导体集成电路，与 CPU 相比，FPGA 可重新编程以便能更高效地执行特定任务。与 ASIC、GPU 和 CPU 的固定架构不同，FPGA 硬件包括可配置逻辑块和可编程互连。这样，即使在芯片出厂和部署后，也可以进行功能更新。

FPGA 凭借其灵活性和并行计算能力，在数据中心的高性能计算、AI、机器学习中越来越受欢迎。不过，与 GPU 和定制 ASIC 解决方案相比，FPGA 的开发速度较慢，其软件生态系统目前也不够健全，由于其编程复杂，专业工程师的数量也很有限。

软件

加速计算利用应用编程接口（API）和编程模型（如 CUDA 和 OpenCL）来连接软件和硬件。这样可以优化数据流，从而提高性能、能效、成本效益和准确性。开发人员通过 API 和编程模型，就能够编写在 GPU 上运行的代码，并利用软件程序库实现高效算法。

CUDA

CUDA（全称为 Compute Unified Device Architecture，统一计算架构）是英伟达公司开发的专有并行计算平台和 API 模型，通过这个技术，开发者可利用英伟达的 GPU 进行图像处理之外的运算，显著加速计算任务。该平台包括 cuDNN、TensorRT 和 DeepStream 等深度学习库，可增强人工智能训练和推理任务。

自 2006 年推出以来，CUDA 已被下载 4000 万次，在全球拥有 400 万开发者用户群，已形成了一个庞大的开发者社区，因此英伟达公司在数据中心硬件和软件市场上占据了显著优势。

OpenCL

OpenCL（Open Computing Language，开放计算语言）是一个为异构平台编写程序的框架。OpenCL 的一个特别显著的特点是它在不同硬件类型之间的可移植性，平台可由 CPU、GPU、FPGA 或其他类型的处理器与硬件加速器所组成。其广泛的兼容性使开发人员能够利用这些不同硬件的强大功能，来进行加速计算。

网络

网络在加速计算中发挥着至关重要的作用，因为它有助于成千上万个处理单元和内存以及存储设备之间的通信。各种网络技术被用来实现这些计算设备与系统其他设备之间的通信，并在网络内的多个设备之间共享数据。常见的技术有：

PCI Express（PCIe）：PCIe 是计算机总线的一个重要分支，它沿用既有的 PCI 编程概念及信号标准，并且构建了更加高速的串行通信系统标准。这一标准提供了计算设备与 CPU、内存之间的直接连接。在加速计算中，PCIe 通常用于将 GPU 或其他加速器连接到主机系统。

NVLink：英伟达公司专有的高带宽、高能效互连技术，可提供比 PCIe 高得多的带宽。该技术旨在促进 GPU 之间以及 GPU 与 CPU 之间更高效的数据共享。

Infinity Fabric：AMD 公司专有的互连技术，用于连接其芯片中的各种组件，包括 CPU、GPU 和内存。

Compute Express Link (CXL)：CXL 是一种开放式互连标准，有助于减少 CPU 和加速器之间的延迟同时增加带宽。它将多个接口合并为一个 PCIe 接口，连接到 CPU。

InfiniBand：一种高速、低延迟的互连技术，通常用于高性能计算（HPC）设置。它实现了服务器集群和存储设备之间的高速互连。

以太网：应用最广泛最成熟的网络技术，主要用于在数据中心的服务器之间传输大量数据。但是，它无法提供与 NVLink 或 InfiniBand 相同的性能水平。

△ NVLink 和 PCIe 与 CPU 连接的 GPU 架构

加速计算应用场景

生成式AI

加速计算是开发和实施先进的生成式 AI 模型的关键因素。生成式 AI 涉及使用算法来统计特征上与训练集相似的数据，在图像、文本和语音领域都有广泛应用。

在生成式 AI 领域，会用到生成对抗网络（GANs）、变异自动编码器（VAEs）和变换器（Transformers）等模型，还有包括 OpenAI 的 ChatGPT 的大型语言模型（LLMs）。这些模型所涉及到的复杂数学运算，需要在大型数据集上进行训练，并需要大量的计算能力和内存。更具体地说，模型大小、每层复杂度、序列长度和多样化是计算需求日益增加的最主要因素。

加速计算在解决生成式 AI 的计算能力和内存需求方面发挥着至关重要的作用，其主要作用在加快训练时间、处理大型数据集、支持复杂模型、促进实时生成并保障高效梯度计算。

加快训练时间

加速计算在生成式 AI 中最重要的作用是缩短 GAN、VAE 和 Transformer 模型的训练时间。在基于 CPU 的传统架构上，这些模型的训练通常需要数天、数周甚至数月的时间，但 GPU 和 TPU 等加速计算平台是专为并行处理而设计的加速硬件，它们能够同时并行处理多个计算，从而大大缩短了训练时间。

处理大型数据集

生成式 AI 模型通常在海量数据集上进行训练，与传统 CPU 相比，加速计算硬件可以更高效地处理这些大型数据集。此外，使用先进的内存架构（如某些 GPU 中的高带宽内存）可以在训练过程中高效处理这些大型数据集。

创建复杂模型

加速计算所带来的计算能力的提升，可以创建更复杂、更大型的模型，从而获得更好的结果。例如，像 GPT-4 这样拥有 170 万亿个参数的生成型预训练变换模型，只有通过加速计算才能实现。

实时功能

在某些应用中，人工智能模型需要实时（或接近实时）生成输出。这对于交互式应用（如视频游戏中的人工智能和实时翻译）尤为重要。加速计算可确保快速执行这些操作，从而实现实时功能。

高效的计算梯度

深度学习模型通过使用基于梯度的优化技术（如反向传播）进行学习。这些计算方法以误差或损失函数最小化的方向来迭代调整模型参数。由于计算是基于矩阵的，因此具有很高的并行性，非常适合选用加速计算方案来处理。

AI数据中心

加速计算平台的目的是加速各类数据中心的计算密集型工作，包括人工智能、数据分析、图形和科学计算。这些数据中心包括企业、主机托管、超大规模/云、边缘和模块化设施，其主要目标是提高工作负载性能，同时降低功耗和每次查询的成本。

生成式 AI 和大型语言模型（LLM）在消费者、互联网公司、企业和初创公司中的兴起，使人工智能的应用进入了一个快速发展时刻，加速了数据中心和云平台中的 AI 推理部署。目前，大多数 AI 推理工作都部署在 CPU 和网络接口卡（NIC）上运行。然而，由于性能、能效、成本效益和功耗限制的日益增加，业界正在转向利用 GPU 和 ASIC 等专用硬件进行加速计算。

现代数据中心的发展方向之一，就是建立一个可持续运行的 " AI 工厂"。通过 LLM、推荐系统以及最终的推理模型等人工智能模型，配备推理机群，以便支持各种各样的工作任务，例如视频处理、文本生成、图像生成以及虚拟世界和虚拟 3D 图形。

使用GPU进行加速计算

使用 GPU 进行加速计算方法主要有三大类：

使用商业套装软件

使用开源或官方函式库

自行编程 CUDA

第一项种类繁多，其中又以有限元素分析领域最多，此领域相关计算包含流体力学分析、热传导分析、电磁场分析或应力分析等等应用。由于范围涵盖 IC 设计、建筑设计、甚至许多交通工具或化工厂也需要通过这类软件进行模拟分析，所以开发这类软件有很大的商业价值。

第二项则比较个性化，由开发者自行编写程序，GPU 的计算组件则可以引用他人已经准备好的函数库，或者参考英伟达官方提供的函数库，也可以从 GitHub 上进行搜索。

第三项就必须通过编程语言进行 CUDA 编写，不同的编程语言能够操纵的自由度也各不相同，其中 C/C++ 或 Fortran属于开发自由度最高的编程语言，可从底层控制 GPU 计算，甚至可以针对本机内存与 GPU 内存数据的传输进行优化。其次则为 Python，Python 也是目前市面上最主流的 AI 应用开发语言，实现的方式包括 PyCuda 或者使用Numba 函数库。另外，Java、R、C# 等也都可以支持 CUDA。

审核编辑：汤梓红