TPU憑什么成為深度學(xué)習(xí)的首選處理器？

張量處理單元（TPU）是一種定制化的 ASIC 芯片，它由谷歌從頭設(shè)計(jì)，并專門用于機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載。TPU 為谷歌的主要產(chǎn)品提供了計(jì)算支持，包括翻譯、照片、搜索助理和 Gmail 等。

Cloud TPU 將 TPU 作為可擴(kuò)展的云計(jì)算資源，并為所有在 Google Cloud 上運(yùn)行尖端 ML 模型的開發(fā)者與數(shù)據(jù)科學(xué)家提供計(jì)算資源。在 Google Next’18 中，我們宣布 TPU v2 現(xiàn)在已經(jīng)得到用戶的廣泛使用，包括那些免費(fèi)試用用戶，而 TPU v3 目前已經(jīng)發(fā)布了內(nèi)部測(cè)試版。

第三代 Cloud TPU

如上為 tpudemo.com 截圖，該網(wǎng)站 PPT 解釋了 TPU 的特性與定義。在本文中，我們將關(guān)注 TPU 某些特定的屬性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)算

在我們對(duì)比 CPU、GPU 和 TPU 之前，我們可以先了解到底機(jī)器學(xué)習(xí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要什么樣的計(jì)算。如下所示，假設(shè)我們使用單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別手寫數(shù)字。

如果圖像為 28×28 像素的灰度圖，那么它可以轉(zhuǎn)化為包含 784 個(gè)元素的向量。神經(jīng)元會(huì)接收所有 784 個(gè)值，并將它們與參數(shù)值（上圖紅線）相乘，因此才能識(shí)別為「8」。其中參數(shù)值的作用類似于用「濾波器」從數(shù)據(jù)中抽取特征，因而能計(jì)算輸入圖像與「8」之間的相似性：

這是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做數(shù)據(jù)分類最基礎(chǔ)的解釋，即將數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的參數(shù)相乘（上圖兩種顏色的點(diǎn)），并將它們加在一起（上圖右側(cè)收集計(jì)算結(jié)果）。如果我們能得到最高的預(yù)測(cè)值，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)參數(shù)非常匹配，這也就最可能是正確的答案。

簡(jiǎn)單而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)和參數(shù)之間需要執(zhí)行大量的乘法和加法。我們通常會(huì)將這些乘法與加法組合為矩陣運(yùn)算，這在我們大學(xué)的線性代數(shù)中會(huì)提到。所以關(guān)鍵點(diǎn)是我們?cè)撊绾慰焖賵?zhí)行大型矩陣運(yùn)算，同時(shí)還需要更小的能耗。

CPU 如何運(yùn)行

因此 CPU 如何來執(zhí)行這樣的大型矩陣運(yùn)算任務(wù)呢？一般 CPU 是基于馮諾依曼架構(gòu)的通用處理器，這意味著 CPU 與軟件和內(nèi)存的運(yùn)行方式如下：

CPU 如何運(yùn)行：該動(dòng)圖僅展示了概念性原理，并不反映 CPU 的實(shí)際運(yùn)算行為。

CPU 最大的優(yōu)勢(shì)是靈活性。通過馮諾依曼架構(gòu)，我們可以為數(shù)百萬的不同應(yīng)用加載任何軟件。我們可以使用 CPU 處理文字、控制火箭引擎、執(zhí)行銀行交易或者使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類圖像。

但是，由于 CPU 非常靈活，硬件無法一直了解下一個(gè)計(jì)算是什么，直到它讀取了軟件的下一個(gè)指令。CPU 必須在內(nèi)部將每次計(jì)算的結(jié)果保存到內(nèi)存中（也被稱為寄存器或 L1 緩存）。內(nèi)存訪問成為 CPU 架構(gòu)的不足，被稱為馮諾依曼瓶頸。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模運(yùn)算中的每一步都是完全可預(yù)測(cè)的，每一個(gè) CPU 的算術(shù)邏輯單元（ALU，控制乘法器和加法器的組件）都只能一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行它們，每一次都需要訪問內(nèi)存，限制了總體吞吐量，并需要大量的能耗。

GPU 如何工作

為了獲得比 CPU 更高的吞吐量，GPU 使用一種簡(jiǎn)單的策略：在單個(gè)處理器中使用成千上萬個(gè) ALU。現(xiàn)代 GPU 通常在單個(gè)處理器中擁有 2500-5000 個(gè) ALU，意味著你可以同時(shí)執(zhí)行數(shù)千次乘法和加法運(yùn)算。

GPU 如何工作：這個(gè)動(dòng)畫僅用于概念展示。并不反映真實(shí)處理器的實(shí)際工作方式。

這種 GPU 架構(gòu)在有大量并行化的應(yīng)用中工作得很好，例如在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的矩陣乘法。實(shí)際上，相比 CPU，GPU 在深度學(xué)習(xí)的典型訓(xùn)練工作負(fù)載中能實(shí)現(xiàn)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的吞吐量。這正是為什么 GPU 是深度學(xué)習(xí)中最受歡迎的處理器架構(gòu)。

但是，GPU 仍然是一種通用的處理器，必須支持幾百萬種不同的應(yīng)用和軟件。這又把我們帶回到了基礎(chǔ)的問題，馮諾依曼瓶頸。在每次幾千個(gè) ALU 的計(jì)算中，GPU 都需要訪問寄存器或共享內(nèi)存來讀取和保存中間計(jì)算結(jié)果。因?yàn)?GPU 在其 ALU 上執(zhí)行更多的并行計(jì)算，它也會(huì)成比例地耗費(fèi)更多的能量來訪問內(nèi)存，同時(shí)也因?yàn)閺?fù)雜的線路而增加 GPU 的物理空間占用。

TPU 如何工作

當(dāng)谷歌設(shè)計(jì) TPU 的時(shí)候，我們構(gòu)建了一種領(lǐng)域特定的架構(gòu)。這意味著，我們沒有設(shè)計(jì)一種通用的處理器，而是專用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載的矩陣處理器。TPU 不能運(yùn)行文本處理軟件、控制火箭引擎或執(zhí)行銀行業(yè)務(wù)，但它們可以為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理大量的乘法和加法運(yùn)算，同時(shí) TPU 的速度非?？?、能耗非常小且物理空間占用也更小。

其主要助因是對(duì)馮諾依曼瓶頸的大幅度簡(jiǎn)化。因?yàn)樵撎幚砥鞯闹饕蝿?wù)是矩陣處理，TPU 的硬件設(shè)計(jì)者知道該運(yùn)算過程的每個(gè)步驟。因此他們放置了成千上萬的乘法器和加法器并將它們直接連接起來，以構(gòu)建那些運(yùn)算符的物理矩陣。這被稱作脈動(dòng)陣列（Systolic Array）架構(gòu)。在 Cloud TPU v2 的例子中，有兩個(gè) 128X128 的脈動(dòng)陣列，在單個(gè)處理器中集成了 32768 個(gè) ALU 的 16 位浮點(diǎn)值。

我們來看看一個(gè)脈動(dòng)陣列如何執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。首先，TPU 從內(nèi)存加載參數(shù)到乘法器和加法器的矩陣中。

然后，TPU 從內(nèi)存加載數(shù)據(jù)。當(dāng)每個(gè)乘法被執(zhí)行后，其結(jié)果將被傳遞到下一個(gè)乘法器，同時(shí)執(zhí)行加法。因此結(jié)果將是所有數(shù)據(jù)和參數(shù)乘積的和。在大量計(jì)算和數(shù)據(jù)傳遞的整個(gè)過程中，不需要執(zhí)行任何的內(nèi)存訪問。

這就是為什么 TPU 可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算上達(dá)到高計(jì)算吞吐量，同時(shí)能耗和物理空間都很小。

好處：成本降低至 1/5

因此使用 TPU 架構(gòu)的好處就是：降低成本。以下是截至 2018 年 8 月（寫這篇文章的時(shí)候）Cloud TPU v2 的使用價(jià)格。

Cloud TPU v2 的價(jià)格，截至 2018 年 8 月。

斯坦福大學(xué)發(fā)布了深度學(xué)習(xí)和推理的基準(zhǔn)套裝 DAWNBench。你可以在上面找到不同的任務(wù)、模型、計(jì)算平臺(tái)以及各自的基準(zhǔn)結(jié)果的組合。

DAWNBench：https://dawn.cs.stanford.edu/benchmark/

在 DAWNBench 比賽于 2018 年 4 月結(jié)束的時(shí)候，非 TPU 處理器的最低訓(xùn)練成本是 72.40 美元（使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例訓(xùn)練 ResNet-50 達(dá)到 93% 準(zhǔn)確率）。而使用 Cloud TPU v2 搶占式計(jì)價(jià)，你可以在 12.87 美元的價(jià)格完成相同的訓(xùn)練結(jié)果。這僅相當(dāng)于非 TPU 的不到 1/5 的成本。這正是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域特定架構(gòu)的威力之所在。