一、Why GPU

其實GPU計算比CPU并不是“效果好”，而是“速度快”。

計算就是計算，數(shù)學上都是一樣的，1+1用什么算都是2，CPU算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是可以的，算出來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放到實際應(yīng)用中效果也很好，只不過速度會很慢罷了。

GPU的起源

GPU全稱叫做graphics processing unit，圖形處理器，顧名思義就是處理圖形的。

電腦顯示器上顯示的圖像，在顯示在顯示器上之前，要經(jīng)過一些列處理，這個過程有個專有的名詞叫“渲染”。以前的計算機上沒有GPU，渲染就是CPU負責的。渲染是個什么操作呢，其實就是做了一系列圖形的計算，但這些計算往往非常耗時，占用了CPU的一大部分時間。而CPU還要處理計算機器許多其他任務(wù)。因此就專門針對圖形處理的這些操作設(shè)計了一種處理器，也就是GPU。這樣CPU就可以從繁重的圖形計算中解脫出來。

由于GPU是專門為了渲染設(shè)計的，那么他也就只能做渲染的那些事情。

渲染這個過程具體來說就是幾何點位置和顏色的計算，這兩者的計算在數(shù)學上都是用四維向量和變換矩陣的乘法，因此GPU也就被設(shè)計為專門適合做類似運算的專用處理器了。為什么說專用呢，因為很多事情他做不了。

CPU通用性強，但是專用領(lǐng)域性能低。工程就是折衷，這項強了，別的就弱了。再后來游戲、3D設(shè)計對渲染的要求越來越高，GPU的性能越做越強。論純理論計算性能，要比CPU高出幾十上百倍。

人們就想了，既然GPU這么強，那用GPU做計算是不是相比CPU速度能大大提升呢？于是就有了GPGPU（general purpose GPU，通用計算GPU）這個概念。但我們前面提到了，GPU是專門為了圖像渲染設(shè)計的，他只適用于那些操作。但幸運的是有些操作和GPU本職能做的那些東西非常像，那就可以通過GPU提高速度，比如深度學習。

深度學習中一類成功應(yīng)用的技術(shù)叫做卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN，這種網(wǎng)絡(luò)數(shù)學上就是許多卷積運算和矩陣運算的組合，而卷積運算通過一定的數(shù)學手段也可以通過矩陣運算完成。這些操作和GPU本來能做的那些圖形點的矩陣運算是一樣的。因此深度學習就可以非常恰當?shù)赜肎PU進行加速了。

以前GPGPU(通用GPU)概念不是很火熱，GPU設(shè)計出來就是為了圖形渲染。想要利用GPU輔助計算，就要完全遵循GPU的硬件架構(gòu)。而現(xiàn)在GPGPU越來越流行，廠家在設(shè)計和生產(chǎn)GPU的時候也會照顧到計算領(lǐng)域的需求了。

二、GPGPU與GPU的區(qū)別

GPU的產(chǎn)生是為了解決圖形渲染效率的問題，但隨著技術(shù)進步，GPU越來越強大，尤其是shader出現(xiàn)之后（這個允許我們在GPU上編程），GPU能做的事越來越多，不再局限于圖形領(lǐng)域，也就有人動手將其能力擴展到其他計算密集的領(lǐng)域，這就是GP(General Purpose)GPU。

三、為什么快

比如說你用美圖xx軟件，給一張圖片加上模糊效果的時候，CPU會這么做：

使用一個模糊濾鏡算子的小窗口，從圖片的左上角開始處理，并從左往右，再從左往右進行游走處理，直到整個圖片被處理完成。因為CPU只有一個或者少數(shù)幾個核，所以執(zhí)行這種運算的時候，只能老老實實從頭遍歷到最后。

但是有一些聰明的讀者會發(fā)現(xiàn)，每個窗口在處理圖片的過程中，都是獨立的，相互沒有關(guān)系的。那么同時用幾個濾鏡窗口來處理是不是更快一些? 于是我們有了GPU, 一般的GPU都有幾百個核心，意味著，我們可以同時有好幾百個濾鏡窗口來處理這張圖片。

所以說，GPU起初的設(shè)計目標就是為了處理這種圖形圖像的渲染工作，而這種工作的特性就是可以分布式、每個處理單元之間較為獨立，沒有太多的關(guān)聯(lián)。而一部分機器學習算法，比如遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，也具有這種分布式及局部獨立的特性（e.g.比如說一條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路跟另一條鏈路之間是同時進行計算，而且相互之間沒有依賴的），這種情況下可以采用大量小核心同時運算的方式來加快運算速度。