TPU憑什么成為深度學習的首選處理器？

張量處理單元（TPU）是一種定制化的 ASIC 芯片，它由谷歌從頭設計，并專門用于機器學習工作負載。TPU 為谷歌的主要產(chǎn)品提供了計算支持，包括翻譯、照片、搜索助理和 Gmail 等。

Cloud TPU 將 TPU 作為可擴展的云計算資源，并為所有在 Google Cloud 上運行尖端 ML 模型的開發(fā)者與數(shù)據(jù)科學家提供計算資源。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，包括那些免費試用用戶，而 TPU v3 目前已經(jīng)發(fā)布了內(nèi)部測試版。

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)絡如何運算

在我們對比 CPU、GPU 和 TPU 之前，我們可以先了解到底機器學習或神經(jīng)網(wǎng)絡需要什么樣的計算。如下所示，假設我們使用單層神經(jīng)網(wǎng)絡識別手寫數(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 個元素的向量。神經(jīng)元會接收所有 784 個值，并將它們與參數(shù)值（上圖紅線）相乘，因此才能識別為「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，因而能計算輸入圖像與「8」之間的相似性：

這是對神經(jīng)網(wǎng)絡做數(shù)據(jù)分類最基礎的解釋，即將數(shù)據(jù)與對應的參數(shù)相乘（上圖兩種顏色的點），并將它們加在一起（上圖右側(cè)收集計算結(jié)果）。如果我們能得到最高的預測值，那么我們會發(fā)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)與對應參數(shù)非常匹配，這也就最可能是正確的答案。

簡單而言，神經(jīng)網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)和參數(shù)之間需要執(zhí)行大量的乘法和加法。我們通常會將這些乘法與加法組合為矩陣運算，這在我們大學的線性代數(shù)中會提到。所以關(guān)鍵點是我們該如何快速執(zhí)行大型矩陣運算，同時還需要更小的能耗。

CPU 如何運行

因此 CPU 如何來執(zhí)行這樣的大型矩陣運算任務呢？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)存的運行方式如下：

CPU 如何運行：該動圖僅展示了概念性原理，并不反映 CPU 的實際運算行為。

CPU 最大的優(yōu)勢是靈活性。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)絡分類圖像。

但是，由于 CPU 非常靈活，硬件無法一直了解下一個計算是什么，直到它讀取了軟件的下一個指令。CPU 必須在內(nèi)部將每次計算的結(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)絡的大規(guī)模運算中的每一步都是完全可預測的，每一個 CPU 的算術(shù)邏輯單元（ALU，控制乘法器和加法器的組件）都只能一個接一個地執(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 使用一種簡單的策略：在單個處理器中使用成千上萬個 ALU?，F(xiàn)代 GPU 通常在單個處理器中擁有 2500-5000 個 ALU，意味著你可以同時執(zhí)行數(shù)千次乘法和加法運算。

GPU 如何工作：這個動畫僅用于概念展示。并不反映真實處理器的實際工作方式。

這種 GPU 架構(gòu)在有大量并行化的應用中工作得很好，例如在神經(jīng)網(wǎng)絡中的矩陣乘法。實際上，相比 CPU，GPU 在深度學習的典型訓練工作負載中能實現(xiàn)高幾個數(shù)量級的吞吐量。這正是為什么 GPU 是深度學習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用和軟件。這又把我們帶回到了基礎的問題，馮諾依曼瓶頸。在每次幾千個 ALU 的計算中，GPU 都需要訪問寄存器或共享內(nèi)存來讀取和保存中間計算結(jié)果。因為 GPU 在其 ALU 上執(zhí)行更多的并行計算，它也會成比例地耗費更多的能量來訪問內(nèi)存，同時也因為復雜的線路而增加 GPU 的物理空間占用。

TPU 如何工作

當谷歌設計 TPU 的時候，我們構(gòu)建了一種領(lǐng)域特定的架構(gòu)。這意味著，我們沒有設計一種通用的處理器，而是專用于神經(jīng)網(wǎng)絡工作負載的矩陣處理器。TPU 不能運行文本處理軟件、控制火箭引擎或執(zhí)行銀行業(yè)務，但它們可以為神經(jīng)網(wǎng)絡處理大量的乘法和加法運算，同時 TPU 的速度非?？臁⒛芎姆浅Ｐ∏椅锢砜臻g占用也更小。

其主要助因是對馮諾依曼瓶頸的大幅度簡化。因為該處理器的主要任務是矩陣處理，TPU 的硬件設計者知道該運算過程的每個步驟。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)建那些運算符的物理矩陣。這被稱作脈動陣列（Systolic Array）架構(gòu)。在 Cloud TPU v2 的例子中，有兩個 128X128 的脈動陣列，在單個處理器中集成了 32768 個 ALU 的 16 位浮點值。

我們來看看一個脈動陣列如何執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡計算。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)。當每個乘法被執(zhí)行后，其結(jié)果將被傳遞到下一個乘法器，同時執(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。在大量計算和數(shù)據(jù)傳遞的整個過程中，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)絡運算上達到高計算吞吐量，同時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（寫這篇文章的時候）Cloud TPU v2 的使用價格。

Cloud TPU v2 的價格，截至 2018 年 8 月。

斯坦福大學發(fā)布了深度學習和推理的基準套裝 DAWNBench。你可以在上面找到不同的任務、模型、計算平臺以及各自的基準結(jié)果的組合。

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

在 DAWNBench 比賽于 2018 年 4 月結(jié)束的時候，非 TPU 處理器的最低訓練成本是 72.40 美元（使用現(xiàn)場實例訓練 ResNet-50 達到 93% 準確率）。而使用 Cloud TPU v2 搶占式計價，你可以在 12.87 美元的價格完成相同的訓練結(jié)果。這僅相當于非 TPU 的不到 1/5 的成本。這正是神經(jīng)網(wǎng)絡領(lǐng)域特定架構(gòu)的威力之所在。