运算逻辑器 - 谷歌的TPU芯片是如何演进而来的？

　　从字面上我们也很好理解，运算逻辑器件主要执行算术运算、移位等操作，以及地址运算和转换；寄存器件主要用于保存运算中产生的数据以及指令等；控制器件则是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

　　我们可以运用下面这张图来说明一条指令在CPU中执行的大致过程：

　　

　　（CPU执行指令图 via：blog.csdn.net）

　　CPU从程序计数器取到指令，通过指令总线将指令送至译码器，将转译后的指令交给时序发生器与操作控制器，然后运算器对数据进行计算，通过数据总线将数据存至数据缓存寄存器。

　　我们从CPU的结构以及执行过程可以看出，CPU遵循的是冯诺依曼架构，冯诺依曼的核心就是：存储程序，顺序执行。

　　从上面的描述我们可以看出，CPU就像一个有条不紊的管家，我们吩咐的事情总是一步一步来做。但是随着摩尔定律的推进以及人们对更大规模与更快处理速度的需求的增加，CPU好像执行起任务来就不那么令人满意了。于是人们就想，我们可不可以把好多个处理器放在同一块芯片上，让他们一起来做事，这样效率是不是就会高很多，这是GPU就诞生了。

　　| GPU诞生了

　　GPU全称为Graphics Processing Unit，中文为图形处理器，就如它的名字一样，GPU最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上运行绘图运算工作的微处理器。因为对于处理图像数据来说，图像上的每一个像素点都有被处理的需要，这是一个相当大的数据，所以对于运算加速的需求图像处理领域最为强烈，GPU也就应运而生。

　　

　　（CPU与GPU结构对比示意图 via：baike.baidu.com）

　　通过CPU与GPU结构上的对比我们可以看出，CPU功能模块很多，能适应复杂运算环境；GPU构成则相对简单，大部分晶体管主要用于构建控制电路（比如分支预测等）和Cache，只有少部分的晶体管来完成实际的运算工作。而GPU的控制相对简单，且对Cache的需求小，所以大部分晶体管可以组成各类专用电路、多条流水线，使得GPU的计算速度有了突破性的飞跃，拥有了更强大的处理浮点运算的能力。当前最顶级的CPU只有4核或者6核，模拟出8个或者12个处理线程来进行运算，但是普通级别的GPU就包含了成百上千个处理单元，高端的甚至更多，这对于多媒体计算中大量的重复处理过程有着天生的优势。

　　这就好比在画一幅画的时候CPU是用一支笔一笔一笔的来画，而GPU则是多支笔对不同的位置同时进行描绘，那自然效率就是突飞猛进的。

　　

　　（英特尔CPU与英伟达GPU浮点运算性能对比图 via：blog.sina.com.cn）

　　虽然GPU是为了图像处理而生的，但是我们通过前面的介绍可以发现，它在结构上并没有专门为图像服务的部件，只是对CPU的结构进行了优化与调整，所以现在GPU不仅可以在图像处理领域大显身手，它还被用来科学计算、密码破解、数值分析，海量数据处理（排序，Map-Reduce等），金融分析等需要大规模并行计算的领域。所以GPU也可以认为是一种较通用的芯片。