GPU的新舞臺 通用計算領域大展拳腳
自誕生之日起，GPU的高速發(fā)展就一直沒有停歇過。GPU的出現(xiàn)將CPU從繁重的圖形運算中解放出來，大大提高了計算機圖形處理的速度和質量，為用戶帶來了更真實、更絢麗的畫面。到了今天，主流GPU的圖形處理能力已經(jīng)滿足并超越了大部分電腦用戶的需求，而且電腦也不可能每時每刻都在運行三維程序和游戲。于是越來越多的人開始關注一個問題：擁有強大浮點運算能力的GPU還能做些什么?
通用計算，GPU大展拳腳
GPU的迅速發(fā)展帶來的并不只是頻率的提高，還產(chǎn)生了很多全新的圖形硬件技術，使GPU具有流處理、高密集并行運算、可編程流水線等特性，從而極大地拓展了GPU的處理能力和應用范圍。正是由于GPU具有高效的并行性和靈活的可編程性等特點，越來越多的研究人員和商業(yè)組織開始利用GPU完成一些非圖形繪制方面的計算，并開創(chuàng)了一個新的研究領域——GPGPU(通用計算圖形處理單元)，其主要研究內(nèi)容是在圖形處理之外的其他領域，如何利用GPU進行更為廣泛的科學計算。
將GPU用于通用計算的主要目的是為了加速計算，加速的動力來自于GPU在高性能計算方面所具有的優(yōu)勢：1.高效的并行性(這一功能主要是通過GPU多條繪制流水線的并行計算來實現(xiàn))；2.高密集的運算(GPU具有128bit/256bit或更大的顯存位寬)；3.超長圖形流水線(以數(shù)據(jù)吞吐量的最大化為目標，在并行處理大規(guī)模數(shù)據(jù)流方面具有明顯優(yōu)勢)。
目前，GPGPU已成功應用于代數(shù)計算、流體模擬、數(shù)據(jù)庫應用、頻譜分析等非圖形應用領域，甚至包括智能信息處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘工具等商業(yè)化應用。同時，也產(chǎn)生了一些針對GPU開發(fā)的通用計算工具包，能夠基于GPU平臺排序及線性方程組求解等科學計算進行優(yōu)化實現(xiàn)。
軟硬兼施，應用更高效
光看GPGPU超越CPU的浮點運算能力的確令人興奮，但真正的應用卻難以實現(xiàn)。這是因為圖形API限制太大，要通過DirectX、OpenGL等API來執(zhí)行其他應用，不僅算法和程序會變得很復雜，還有大量的額外運算開銷。隨著GPU進入DX10時代，統(tǒng)一渲染架構在可編程性上更加靈活。而要充分發(fā)揮GPU通用計算性能，必須“拋棄”傳統(tǒng)的圖形API，NVIDIA適時推出了CUDA(統(tǒng)一計算設備架構)。
從GeForce 8系列產(chǎn)品開始，NVIDIA的GPU全部支持CUDA技術。軟件開發(fā)人員可以基于CUDA平臺開發(fā)計算軟件，借助這些軟件和GPU，用戶可以用比以往少得多的時間完成很多計算任務。
目前，CUDA已經(jīng)在游戲、圖形動畫、科學計算、地質、生物、物理模擬等領域顯示出了威力。例如，以前將一系列2D X光圖像合成為3D圖像需要耗費5個小時，而通過CUDA和GPU可以將這個過程縮短為5分鐘。在模擬電腦波、視覺和嗅覺感官計算領域，CUDA讓CPU和GPU協(xié)同工作獲得了130倍的性能提升。在金融行業(yè)，NVIDIA和財務分析軟件廠商Hanweek合作，在其股票和期權分析軟件中加入GPU加速功能，結果不到1秒鐘就完成對美國所有上市股票的期權分析。
乳癌超聲波檢測采用GPU加速及CUDA編程，處理時間由幾小時縮短至15分鐘
另外，Adobe最近發(fā)布的Photoshop CS4也支持GPU加速，Photoshop CS4里打開一個2GB大小、4.42億像素的圖片只需幾秒鐘，而對圖片進行縮放、旋轉也不再“卡殼”。以往令人頭痛的全景圖拼合，在GPU的幫助下也能在瞬間完成。
Photoshop CS4加入了對CUDA的支持 #p#page_title#e#
并行計算時代的競爭
從上面可以看出，由于GPU架構非常適用于需要高并行量的計算任務，所以它在執(zhí)行金融分析、氣象預報、數(shù)據(jù)庫分析及人工智能等計算任務時具有很強的優(yōu)勢，圖形市場似乎面臨新的發(fā)展機遇。不過，看準這個市場的除了NVIDIA之外，還有Intel和AMD兩個老牌芯片廠商和軟件巨頭微軟。
Intel計劃在2009年推出一款特殊的處理器——Larrabee。具有32個內(nèi)核的Larrabee不但能完成高質量的圖形渲染，還能同時進行大量的計算任務，其浮點運算性能可媲美頂尖的GPU。除了運算能力出眾以外，Larrabee還帶來了一套基于x86的標準指令集。而作為GPU通用計算概念的另一個支持者，AMD雖然沒有拿出相應的開發(fā)環(huán)境，但它提供的CTM瘦硬件接口，允許開發(fā)者直接訪問GPU的原生指令集和存儲器。另外，微軟也計劃在DX10.1中加入開發(fā)高并行計算程序所需的功能函數(shù)，以便降低開發(fā)難度。
可以看到，由CUDA引發(fā)的市場和類似的技術正在啟動，隨著以這類技術為代表的可編程GPU技術的不斷成熟，未來的相關產(chǎn)品將變得無所不能，而并行計算時代的競爭也將異常激烈。
新技術讓生活更愉悅。
高端訪談
隨著技術的不斷發(fā)展，GPU的性能和功能越來越強，特別是強大的浮點運算能力讓CPU也汗顏。不過，好馬也須配好鞍，硬件再強，也要軟件扶持。近期比較熱門的CUDA就是NVIDIA為GPU量身定做的“馬鞍”。為了揭開CUDA的神秘面紗，本報記者采訪了NVIDIA亞太區(qū)市場總監(jiān)莊海鷗先生(以下簡稱莊)：
記：GPU發(fā)展到今天，尤其是統(tǒng)一渲染架構的實現(xiàn)，其性能已經(jīng)遠遠超出了現(xiàn)有3D圖形計算領域的要求，GPU在通用計算方面的優(yōu)勢似乎沒有得到充分的發(fā)揮，對此您是怎么看的？
莊：是這樣的?；仡橤PU的發(fā)展過程我們不難發(fā)現(xiàn)，GPU就是為了計算而生的。不過早期的GPU的發(fā)展比較“單純”，僅僅針對3D圖形計算領域。隨著技術的發(fā)展，GPU的可編程性越來越強，特別是在GPU進入DX10時代以后，統(tǒng)一渲染架構在編程靈活性上獲得了進一步的提升，GPU強大的浮點計算能力和數(shù)據(jù)流吞吐量使得人們希望用GPU來實現(xiàn)加速運算。這樣一來，不但可以提升整個PC平臺的計算性能，還可以大大拓展電腦的應用領域和范圍。
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莊：目前CUDA在許多領域已經(jīng)開始發(fā)揮重要的作用。比如在消費級領域，如果對一部兩小時的電影進行視頻轉碼，單純依靠CPU可能需要6個小時甚至更長的時間，而借助一款針對GPU加速的Badaboom軟件，就可以在幾分鐘內(nèi)完成。此外，在醫(yī)療行業(yè)，借助CUDA和GPU的加速功能，醫(yī)生對一些重大疾病的診斷速度也將大大加快。
記：您怎么看待CUDA的市場發(fā)展前景？它是否會成為一種行業(yè)標準？
莊：雖然目前許多浮點密集型應用大多集中在高端科學領域，普通用戶只能從Photoshop、PowerDVD、Matlab等軟件中感受到GPU的威力，但隨著越來越多的研究人員致力于借助GPU完成視頻編碼、音頻處理等應用，也許過不了多久，就會有越來越多的應用程序加入到通用計算的行列。我認為CUDA今后會成為高性能電腦的一個重要組成部分。從某種意義上說，CUDA已經(jīng)超越了一種行業(yè)標準的范疇。
記：前兩年業(yè)界曾經(jīng)提出過GPGPU的概念，現(xiàn)在NVIDIA又倡導CUDA平臺，請問這兩者之間有什么區(qū)別？
莊：傳統(tǒng)GPGPU仍然把GPU當作一塊顯卡，使用DirectX或OpenGL之類的圖形API實現(xiàn)計算目的。而CUDA是專用于GPU計算的開發(fā)環(huán)境，它打破了圖形API的限制，普通編程人員在CUDA的幫助下，只要學習一點點GPU架構知識，就能釋放出GPU強大的浮點運算能力。換句話說，CUDA的開發(fā)門檻大大降低了。
記：在CUDA在的推廣和發(fā)展方面，NVIDIA采取了哪些具體措施和方法？
莊：雖然現(xiàn)在很多人還不完全了解CUDA，但我們已經(jīng)采取了很多措施來加快CUDA的推廣和普及步伐。具體有以下幾個方面：一是聯(lián)合全球一些著名高校和研究機構，開設關于CUDA的教程；二是與許多科研機構合作，幫助他們開發(fā)基于CUDA平臺的高性能軟件或程序；三是舉辦CUDA編程大賽，激發(fā)程序開發(fā)人員的熱情。目前僅從官方網(wǎng)站下載CUDA開發(fā)包的次數(shù)就達到了15萬次之多，而基于CUDA平臺進行程序開發(fā)的人數(shù)，據(jù)我們所知也有2萬以上?！ ?/p>
記：在未來，電腦形態(tài)可能會有很大的變化，或許和我們現(xiàn)在看到的電腦有很大的區(qū)別，那么其中GPU又會以一個什么樣的形式存在？NVIDIA今后還會推出哪些更有利于我們生活的技術？
莊：你說的很對。在過去的這些年，人們使用電腦的方式發(fā)生了巨大的改變。以人機交流界面為例，早期是枯燥的字符(DOS)界面，后來隨著以Window為代表的圖形化操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，人機交流界面變成了2D圖形(Windows)。相信隨著新技術、新材料的發(fā)展和運用，人機交流界面一定會朝著高清、3D的方向發(fā)展。至于5年或10年后GPU會以什么樣的形態(tài)存在，現(xiàn)在還不好說。不過就NVIDIA來說，今后推出的新技術和新產(chǎn)品將從視覺體驗上(3D界面和3D內(nèi)容)給用戶帶來更多愉悅的享受。
