在互聯網行業，隨著信息化的普及，數據量的暴增使得人們對存儲空間又有了新要求，同時，機器學習、人工智能、無人駕駛、工業仿真等領域的崛起，使得通用CPU在處理海量計算、海量數據/圖片時遇到越來越多的性能瓶頸，如并行度不高、帶寬不夠、時延高等。

為了應對計算多元化的需求，越來越多的場景開始引入GPU、FPGA等硬件進行加速，異構計算應運而生。異構計算（Heterogeneous Computing），主要指不同類型的指令集和體系架構的計算單元組成的系統的計算方式。

20世紀80年代，異構計算技術就已經誕生了。所謂的異構，就是CPU、DSP、GPU、ASIC、協處理器、FPGA等各種計算單元、使用不同的類型指令集、不同的體系架構的計算單元，組成一個混合的系統，執行計算的特殊方式，就叫做“異構計算”。

特別是在人工智能領域，異構計算大有可為。眾所周知，AI意味著對計算力的超高要求，目前以GPU為代表的異構計算已成為加速AI創新的新一代計算架構。

我們為什么需要異構計算？

談到計算，我們通常會想到CPU，但是CPU屬于通用計算，受制于摩爾定律，隨著計算多元化的發展，特別是應用類型的多樣化，導致CPU在處理某些計算類型方面出現“力不從心”的情況。引入特定的單元讓計算系統變成混合結構成為了必然，每一種不同類型的計算單元都可以執行自己最山擅長的任務。

CPU雖然運算不行，但是擅長管理和調度，比如讀取數據，管理文件，人機交互等，例程多，輔助工具也很多；GPU管理更弱，運算更強，但由于是多進程并發，更適合整塊數據進行流處理的算法；FPGA能管理能運算，但是開發周期長，復雜算法開發難度大。適合流處理算法，不管是整塊數據進還是一個一個進。還有實時性來說，FPGA是最高的。

當人工智能等海量計算力訴求到來之后，GPU、FPGA配合CPU進行計算也就“水到渠成”了。

異構計算的兩大派別——GPU和FPGA

我們最熟悉的異構計算平臺就是“CPU＋GPU”以及“CPU＋FPGA” 架構。這些典型異構計算架構最大的優點是具有比傳統CPU并行計算更高效率和低延遲的計算性能，尤其是業界對計算性能需求水漲船高的情況下，異構計算變得愈發重要，整個計算行業生態無一不在此發力。

眾所周知，相比CPU，GPU和FPGA擁有太多的優勢，GPU有更高的并行度、更高的單機計算峰值、更高的計算效率；而FPGA的優勢則主要體現在它擁有更高的每瓦性能、非規整數據計算更高的性能、更高的硬件加速性能、更低的設備互聯延遲。

目前異構計算使用最多的是利用GPU來加速。主流GPU都采用了統一架構單元，憑借強大的可編程流處理器陣容，GPU在單精度浮點運算方面將CPU遠遠甩在身后。各個GPU廠家都推出了適用于通用計算的GPU，GPGPU（General Perpose GPU）。一時間，整個業界都在談論GPU計算。

除了GPU，FPGA成為近年半導體產業的熱點。FPGA作為一種高性能、低功耗的可編程芯片，可以根據客戶定制來做針對性的算法設計。所以在處理海量數據的時候，FPGA 相比于CPU 和GPU，優勢在于：FPGA計算效率更高，FPGA更接近IO。

PGA不采用指令和軟件，是軟硬件合一的器件。對FPGA進行編程要使用硬件描述語言，硬件描述語言描述的邏輯可以直接被編譯為晶體管電路的組合。所以FPGA實際上直接用晶體管電路實現用戶的算法，沒有通過指令系統的翻譯。

當然除了GPU和FPGA，ASIC也是目前計算芯片的一種選擇。ASIC是一種專用芯片，與傳統的通用芯片有一定的差異，是為了某種特定的需求而專門定制的芯片。ASIC芯片的計算能力和計算效率都可以根據算法需要進行定制，所以ASIC與通用芯片相比，具有以下幾個方面的優越性：體積小、功耗低、計算性能高、計算效率高、芯片出貨量越大成本越低。但是缺點也很明顯：算法是固定的，一旦算法變化就可能無法使用。

目前人工智能屬于大爆發時期，大量的算法不斷涌出，遠沒有到算法平穩期，ASIC專用芯片如何做到適應各種算法是個最大的問題。

不同處理器芯片在構建異構計算方面有著自己的鮮明特點。CPU、GPU領域存在大量的開源軟件和應用軟件，任何新的技術首先會用CPU實現算法，因此CPU編程的資源豐富而且容易獲得，開發成本低而開發周期。FPGA的實現采用Verilog/VHDL等底層硬件描述語言實現，需要開發者對FPGA的芯片特性有較為深入的了解，但其高并行性的特性往往可以使業務性能得到量級的提升；同時FPGA是動態可重配的，當在數據中心部署之后，可以根據業務形態來配置不同的邏輯實現不同的硬件加速功能。

ASIC芯片可以獲得最優的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低；但是AISC開發風險極大，需要有足夠大的市場來保證成本價格，而且從研發到市場的時間周期很長，不適合例如深度學習CNN等算法正在快速迭代的領域。

結語

當前計算多元化趨勢不可阻擋，單一的CPU已經無法計算力的需求。在這種情況下，以GPU和FPGA為代表的異構計算大行其道。特別是人工智能、大數據、物聯網等新技術的推動，應用類型呈現多樣化，其對計算的需求也呈現差異化的特點。不管是“CPU＋GPU”還是“CPU＋FPGA” ，都是為了更好地服務個性化的計算需求。

可以預見的是隨著計算產業的演進，異構計算具有廣泛的發展空間，我們也會看到越來越多的異構計算架構在承載應用方面發揮越來越重要的作用。