FPGA与GPU的区别本质上是体系结构的区别

mengtaiqi

FPGA与GPU的区别本质上是体系结构的区别
CPU、GPU 都属于冯·诺依曼结构，指令译码执行、共享内存。
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. W" ]1 X; R: SFPGA 本质上是无指令、无需共享内存的体系结构。
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3 ^6 z, v$ _% Y4 f, F9 _CPU与FPGA区别之（指令）：
CPU结构——有指令：
冯氏结构中，由于执行单元（如 CPU 核）可能执行任意指令，就需要有指令存储器、译码器、各种指令的运算器、分支跳转处理逻辑。
由于指令流的控制逻辑复杂，不可能有太多条独立的指令流，
因此 GPU 使用 SIMD（单指令流多数据流）来让多个执行单元以同样的步调处理不同的数据，CPU 也支持 SIMD 指令。
FPGA结构——无需指令：
, l/ y4 n: k5 D  X# A% r而 FPGA 每个逻辑单元的功能在重编程（烧写）时就已经确定，不需要指令。

CPU与FPGA区别之（内存）
9 l' c) E2 J% s& A7 p/ N) v% w7 oCPU结构——仲裁与共享内存：
5 N  h6 |" j) ~# d0 m+ c% T  {冯氏结构中使用内存有两种作用。一是保存状态，二是在执行单元间通信。
2 l) p, \9 d! B# D6 K% O由于内存是共享的，就需要做访问仲裁；
为了利用访问局部性，每个执行单元有一个私有的缓存，这就要维持执行部件间缓存的一致性。
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FPGA结构——无需仲裁与共享内存：
/ ]) [: x  I8 O: q对于保存状态的需求，FPGA 中的寄存器和片上内存（BRAM）是属于各自的控制逻辑的，无需不必要的仲裁和缓存。
对于通信的需求，FPGA 每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接在重编程（烧写）时就已经确定，并不需要通过共享内存来通信。

0 K- ^' x8 {( A! A, p) ?FPGA 同时拥有流水线并行和数据并行，而 GPU 几乎只有数据并行（流水线深度受限）。
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FPGA流水线与数据并行处理：
1 J, d" M3 U  O$ P# E例如：处理一个数据包有 10 个步骤，FPGA 可以搭建一个 10 级流水线，流水线的不同级在处理不同的数据包，每个数据包流经 10 级之后处理完成。每处理完成一个数据包，就能马上输出。

GPU数据并行处理：
而 GPU 的数据并行方法是做 10 个计算单元，每个计算单元也在处理不同的数据包，

然而所有的计算单元必须按照统一的步调，做相同的事情（SIMD，Single Instruction Multiple Data）。

4 J" q! Q8 }$ X  ?2 d! c这就要求 10 个数据包必须一起输入、一起输出，输入输出的延迟增加了。
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总结一句话，很多算法如果用纯软件实现，需要很多条指令才能完成，
. _! l5 I: V& r4 a! w4 x8 b1 T如果用FPGA，只需要在有限个时钟周期即可完成，速度快的不是一点半腥。

Touuqu

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