從計算機圖形學到人工智能

1. 引言

多年以后，面對圖形處理器（GPU）在人工智能、加密貨幣、高性能計算、自動駕駛等多研究領域的廣泛應用，如今的游戲發(fā)燒友們是否會回想起，1999年Nvidia發(fā)布專業(yè)游戲顯卡GeForce256時那個炎熱的夏天？

GPU應用

GeForce256發(fā)布以后GPU一詞才被大眾所接受，實際上1994年索尼發(fā)布PS1的時候就提出了GPU的概念，當時使用的是由東芝為索尼設計的GPU。

而后來在2002年ATI（已被AMD收購）提出的VPU（Visual Processing Unit）一詞則在時代的浪潮中消失無蹤。

從GeForce256發(fā)布至今的21年時間，GPU實現(xiàn)了從PC游戲時代到AI時代的巨大跨越。本文將和大家一起揭秘GPU為何能夠撬動計算機圖形學和人工智能這兩個博大精深的領域。

2. GPU與計算機圖形學

今年3月18日，國際計算機學會ACM官方公布了2019年度圖靈獎（計算機界的諾貝爾獎）獲得者Hanrahan和Catmull，以表彰他們對3D計算機圖形學的貢獻。

Hanrahan提出的renderMan很大程度上對GPU產(chǎn)生了影響。例如著色器（Shader）一詞的出現(xiàn)，最先是由Pixar與1988年五月發(fā)布的renderMan接口規(guī)范中提出。

renderMan技術制作了一系列成功電影，其中包括《阿凡達》、《玩具總動員》、《泰坦尼克號》等。

renderMan渲染的阿凡達

另外，Hanrahan和他的學生還開發(fā)了一種用于 GPU 的語言：Brook，并最終催生了 NVIDIA的CUDA。

事實上，計算機圖形學是一個廣泛的學科，其中包括：

• 物理模擬：涉及各個物理分支相關數(shù)學。
• 模型處理：微積分，線性代數(shù)、微分幾何、優(yōu)化理論。
• 渲染：微積分、概率、光學中相關數(shù)學。

而我們的GPU，正是用來為計算機圖形學中實時圖像渲染加速的。

GPU的硬件設計上引入了圖形管線，使得各任務可以通過流水線進行并行處理。

同時通過可編程的著色器，使得GPU硬件能夠根據(jù)圖形學算法更好的被使用。

通過下一節(jié)我們可以詳細的了解到什么是GPU圖形管線和可編程著色器。

2.1 GPU圖形管線

GPU圖形管線共分為三個部分，分別是應用程序階段、幾何階段、光柵化階段。

我們在最終在屏幕上看到的畫面，就是3D模型經(jīng)過這三個階段渲染后得到的。

GPU圖形管線

• 應用程序階段

圖形渲染管線概念上的第一個階段，開發(fā)者通過程序的方式對圖元數(shù)據(jù)等信息進行配置和調(diào)控，最后傳輸?shù)较聜€階段。

• 幾何階段

幾何階段分為模型視點變換、頂點著色、裁剪、屏幕映射等步驟。

模型視點變換 ：由每個模型自己的局部坐標系轉換到世界坐標系，然后到視覺空間，通過將每個模型的各頂點坐標與相應的變換矩陣相乘來實現(xiàn)。

下圖是一個模型視點變換的實例，每個建模好的立方體的坐標是以原點為中心的局部坐標系，可以通過矩陣變換將各模型放到同一個世界坐標系中。

模型視點變換

頂點著色：著色是指確定材質(zhì)的顏色，材質(zhì)的顏色實際上和光照有關。目前常用的光照模型是馮氏光照模型，包括環(huán)境、漫反射和鏡面光照。

裁剪 ：對于在屏幕空間外的物體，我們并沒有必要去計算它的顏色等信息

屏幕映射：是將之前步驟得到的坐標映射到對應的屏幕坐標系上。

• 光柵化階段

給定經(jīng)過變換和投影之后的頂點，顏色以及紋理坐標（均來自于幾何階段），給每個像素正確配色，以便正確繪制整幅圖像，這個過程叫光柵化。

光柵化包括三角形設定、三角形遍歷、像素著色、融合階段（如下圖所示）。

光柵化階段

三角形設定階段：計算三角形表面的差異和三角形表面的其他相關數(shù)據(jù)。

三角形遍歷階段：到那些采樣點或像素在三角形中的過程通常叫三角形遍歷。

像素著色階段：主要目的是計算所有需要逐像素計算操作的過程。

融合階段：合成當前儲存于緩沖器中的由之前的像素著色階段產(chǎn)生的片段顏色。

2.2 可編程著色器

可編程著色器（shader），簡單來說就是可以運行在GPU上的程序，這種程序會使用特定的著色語言（類似于C語言）。

2.2.1 著色器語言

不同圖形編程接口對應不同的著色語言，Windows平臺上的圖形編程接口DirectX使用的是HLSL，而跨平臺的圖形編程接口OpenGL則是使用的GLSL，HLSL與GLSL的語法與C語言十分相似。而新一代圖形編程接口Vulkan則是直接定義了一套二進制中間語言SPIR-V。

HLSL與GLSL都可以編譯成獨立于機器的中間語言（SPIR-V本身就是中間語言），然后在驅動中通過編譯器轉換成實際的機器語言。這樣可以實現(xiàn)對不同硬件的兼容，因為不同廠商可以在驅動中調(diào)用自己的編譯器生成自家GPU識別的指令。

有了著色語言以后，我們的工程師就可以通過高級語言來控制GPU對圖形進行實時渲染。

但實際上我們的GPU一開始支持的Shader并沒有那么多。這與GPU硬件的可編程渲染架構發(fā)展有關。

GPU可編程渲染架構經(jīng)歷了分離渲染架構到統(tǒng)一渲染架構的進化過程。

如下圖所示，左邊是分離渲染架構，右邊是統(tǒng)一渲染架構。

分離架構 vs 統(tǒng)一渲染架構

分離渲染架構：頂點著色器與像素著色器在兩個不同的著色器核（紅色部分）上運行。

統(tǒng)一渲染架構：所有的著色器程序都可以在同一個著色器核上運行。

與分離渲染架構相比，統(tǒng)一渲染架構更加靈活且利用率更高。

下面以DirectX（openGL也有對應的版本）發(fā)布為線索，分別介紹分離渲染架構與統(tǒng)一渲染架構的發(fā)展歷史。

2.2.2 分離渲染架構

• 1999年微軟DirectX7提供了硬件頂點變換的編程接口，NV的Geforc256對此進行了支持，從此NV公司從眾多顯卡制造商中殺出重圍，逐漸占據(jù)了龍頭老大的地位。
• 2001年DirectX8發(fā)布，包含Shader Model 1.0標準。遵循這一模型的GPU可以具備頂點和像素的可編程性。同年，NVIDIA發(fā)布了Geforce3，ATI發(fā)布了Radeon8500，這兩種GPU支持頂點編程。但是這一時期的GPU都不支持像素編程，只是提供了簡單的配置功能。
• 2002年，DirectX9.0公布，包含Shader Model 2.0。此模型是真正的可編程頂點著色器及像素著色器。頂點著色器主要執(zhí)行頂點的變換、完成光照與材質(zhì)的運用及計算等相關操作。
• 2003年，NVIDIA和ATI發(fā)布的新產(chǎn)品都同時具備了可編程頂點處理和可編程像素處理器。從此，GPU具備了可編程屬性，也叫做可編程圖形處理單元。

2.2.3 統(tǒng)一渲染架構

• 2006年包含DirectX10的 Shader Model4.0發(fā)布，采用統(tǒng)一渲染架構，使用統(tǒng)一的流處理器。這一時期，比較有代表性的GPU有NVIDIA的Geforce9600和ATI的Radeon 3850。
• 2010年，包含DirectX11的Shader Model 5.0 發(fā)布，增加了曲面細分著色器、外殼著色器、鑲嵌單元著色器、域著色器、計算著色器。這一時期比較有代表性的GPU是GeForece405
• 2014年，DirectX 12發(fā)布，主要特性有輕量化驅動層、硬件級多線程渲染支持、更完善的硬件資源管理，比較有代表性的GPU有GeForceGT 710
• 2018，DirectX 12.1發(fā)布，代表性GPU是TITAN RTX，擁有1770MHz主頻，24G顯存，384位帶寬，支持8K分辨率。

以上僅列舉了部分Shader Model的特性，如要查看完整特性，有興趣的同學可以參考這個鏈接Shader Model

2.3 小結

上一節(jié)介紹了GPU渲染架構發(fā)展歷史、GPU圖形管線、以及能夠在GPU上運行的高級著色語言。

可以看到，GPU對圖形渲染的過程需要并行處理海量數(shù)據(jù)，涉及大量矩陣運算，這一特性使得GPU能夠在人工智能應用中發(fā)揮巨大的作用。

下一節(jié)我們將看到GPU的這些特性是如何為深度學習加速的。

3. GPU與人工智能

2018年，國際計算機學會將圖靈獎頒發(fā)給了深度學習領域的三位大師Hinton，LeCun 和 Bengio。

深度學習剛被提出的時候曾經(jīng)遭到學術屆的質(zhì)疑，而如今卻成為了人工智能領域的熱點。

人工智能的三大要素：算法、算力、大數(shù)據(jù)。

深度學習被質(zhì)疑的一部分原因正是因為當時的計算能力無法滿足深度學習的要求，而如今異構計算則成為了深度學習的重要支柱。

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(tǒng)，執(zhí)行計算的特殊方式，就叫做異構計算。

3.1 異構計算

目前關于深度學習流行的異構解決方案共三種，分別是ASIC、FPGA、GPU。

但是從開發(fā)人員數(shù)量和受歡迎程度以及生態(tài)系統(tǒng)來說，GPU無疑是最有優(yōu)勢的。

通過下面三種方案的對比，我們可以看到這三種方案各自的優(yōu)缺點。

• CPU+ASIC

ASIC即專用集成電路，是指應特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設計、制造的集成電路。

優(yōu)點：：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。

缺點：算法固定，一旦算法變化就無法使用。目前人工智能算法遠沒有到算法平穩(wěn)期，ASIC專用芯片如何做到適應各種算法是個最大的問題。

實例：寒武紀的NPU、地平線的BPU、Google的TPU都是屬于ASIC。如圖是Google的TPU，兼具了CPU與ASIC的特點。

Google TPU

• CPU+FPGA

FPGA是一種硬件可重構的體系結構。它的英文全稱是Field Programmable Gate Array，中文名是現(xiàn)場可編程門陣列。

CPU+FPGA

優(yōu)點：靈活性高、無需取指令、譯碼，執(zhí)行效率高。FPGA中的寄存器和片上內(nèi)存由各自的邏輯進行控制無需仲裁和緩存。多個邏輯單元之間的通信已經(jīng)確定，無需通過共享內(nèi)存進行通信。

缺點：總體性價比和效率不占優(yōu)勢。FPGA的大規(guī)模開發(fā)難度偏高，從業(yè)人員相對較少，生態(tài)環(huán)境不如GPU。

實例：微軟使用FPGA為Bing搜索智能化進行加速。

• CPU+GPU

CPU+GPU

GPU具有更好的生態(tài)環(huán)境，例如具備CUDA支持的GPU為用戶學習Caffe、Theano等研究工具提供了很好的入門平臺。為初學者提供了相對更低的應用門檻。

除此之外，CUDA在算法和程序設計上相比其他應用更加容易，通過NVIDIA多年的推廣也積累了廣泛的用戶群，開發(fā)難度更小。

最后則是部署環(huán)節(jié)，GPU通過PCI-e接口可以直接部署在服務器中，方便快速。得益于硬件支持與軟件編程、設計方面的優(yōu)勢，GPU才成為了目前應用最廣泛的平臺。

3.2 GPU與深度學習

與大多機器學習算法一樣，深度學習依賴于數(shù)學和統(tǒng)計學計算。人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN），卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）是一些現(xiàn)代深度學習的實現(xiàn)。

這些算法都有以下基本運算：

• 矩陣相乘：所有的深度學習模型中都包括這一運算，計算十分密集。
• 卷積：也是深度學習中常用的運算，占用了模型中大部分的浮點運算。

上節(jié)中提到，GPU在進行圖像渲染時間需要處理每秒大量的矩陣乘法運算，

下圖是一個簡單直觀的例子：將一幅圖像倒置，在我們?nèi)庋劭磥硎且环B續(xù)的圖形，在GPU看來實際上是由多個離散的像素組成，將圖像倒置實際上對每個像素做矩陣乘法。

當然這只是一個簡單的例子，實際上的3D渲染處理的數(shù)據(jù)比這更多也更加復雜。

GPU并行處理

深度學習同樣需要并行處理，因為神經(jīng)網(wǎng)絡是一種典型的并行結構，每個節(jié)點的計算簡單且獨立，但是數(shù)據(jù)龐大，通常深度學習的模型需要幾百億甚至幾萬億的矩陣運算。

神經(jīng)網(wǎng)絡結構

可以看到，圖形渲染與深度學習有著相似之處。這兩種場景都需要處理每秒大量的矩陣乘法運算。

而GPU擁有數(shù)千個內(nèi)核的處理器，能夠并行執(zhí)行數(shù)百萬個數(shù)學運算。

因此GPU完美地與深度學習技術相契合。使用GPU做輔助計算，能夠更快地提高AI的性能。

總的來說，GPU做深度學習有三大優(yōu)勢：

• 每一個GPU擁有大量的處理器核心，允許大量的并行處理。
• 深度學習需要處理大量的數(shù)據(jù)，需要大量的內(nèi)存帶寬（最高可達到750GB/S，而傳統(tǒng)的CPU僅能提供50GB/S），因此GPU更適合深度學習。
• 更高的浮點運算能力。浮點運算能力是關系到3D圖形處理的一個重要指標?，F(xiàn)在的計算機技術中，由于大量多媒體技術的應用，浮點數(shù)的計算大大增加了，比如3D圖形的渲染等工作，因此浮點運算的能力是考察處理器計算能力的重要指標。

3.3 小結

本節(jié)介紹了異構計算對深度學習加速的優(yōu)缺點，主要包括FPGA、ASIC、GPU三種硬件解決方案。

最后通過比較GPU進行圖形渲染與深度學習計算時的相似之處，解釋了GPU為何能夠加速深度學習，以及GPU加速深度學習的優(yōu)勢。

4. 總結

計算機圖形學與人工智能是兩個博大精深的領域，本文僅從GPU實時渲染與GPU并行加速的角度進行了闡述。

寫這篇文章的初衷是因為聯(lián)想到GPU與近三年來的圖靈獎領域息息相關。

2019年圖靈獎授予了計算機圖形學領域、2018年授予了深度學習領域，2017年授予了計算機體系結構領域。

GPU實時渲染、GPU并行加速、GPU架構分別與這三個領域有著千絲萬縷的聯(lián)系，因此想到了寫這樣一篇GPU探秘的文章。

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