自從第一個像素出現(xiàn)在顯示器上以來，GPU 就一直是計算的一部分。盡管如此，它的角色已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，從最初的功能到嵌入式 GPU、逼真的 3D 游戲和現(xiàn)在的通用 GPU 計算。

　　本文深入探討了這一關(guān)鍵硬件組件，它為人工智能、計算機視覺和一系列未來的計算機優(yōu)勢提供動力。我們將嘗試總結(jié) GPU 是什么、它的重要性、它們?nèi)绾螒糜诠I(yè)計算機、它的用途、您可能需要 GPU 的原因以及選擇它們時可用的選項。

　　圖 1. GPU 不斷發(fā)展，不僅用于游戲或產(chǎn)品設計的 3D 圖形，而且越來越多的任務是通過并行處理支持機器學習和 AI 推理分析以及同時進行多項計算的能力。

　　什么是 GPU？

　　圖形處理單元 （GPU） 是硬件組件，它接受視覺顯示指令并將像素放在屏幕上它們應該去的地方。

　　根據(jù)英特爾的說法，GPU 是為并行處理而設計的，“用于廣泛的應用程序，包括圖形和視頻渲染。盡管 GPU 以其在游戲方面的能力而聞名，但在創(chuàng)意制作和人工智能 （AI） 中的使用越來越受歡迎?！?/p>

　　最后一部分很重要，因為現(xiàn)代通用 GPU 不再僅限于在屏幕上顯示圖像。它已經(jīng)成為處理復雜機器輸入的強大力量，但對CPU來說太慢了。那么這是怎么發(fā)生的呢？

　　GPU計算簡史

　　為了準確起見，如果所有計算機在屏幕上顯示圖像，則它們都具有 GPU。有兩種主要類型?；?GPU 通常集成到現(xiàn)代 CPU 中，為大多數(shù)辦公室或家庭情況提供核心功能。我們在本文中所指的是具有強大 GPU 的專用顯卡。

　　英偉達在 1999 年創(chuàng)造了 GPU 一詞，發(fā)布了 GeForce 256，被譽為“世界上第一個 GPU”。盡管最初用于圖形密集型任務，但通用 GPU 已進入其他領(lǐng)域。其中包括石油勘探、圖像處理、統(tǒng)計、股票期權(quán)定價、線性代數(shù)以及任何需要大規(guī)模數(shù)學運算的領(lǐng)域。

　　因此，GPU 從游戲的圖像渲染擴展到多個新領(lǐng)域。但是在多年推動 CPU 的性能越來越快之后，為什么 GPU 還會成為人們關(guān)注的焦點？

　　GPU有什么作用？

　　GPU 是課堂上的數(shù)學天才。它執(zhí)行數(shù)學計算并快速執(zhí)行數(shù)學算法。

　　與執(zhí)行各種通用計算機任務（如訪問內(nèi)存和硬盤驅(qū)動器等）的 CPU 不同，GPU 執(zhí)行的功能集更為有限。

　　并行性是這些功能背后的驅(qū)動力。數(shù)學任務不是在具有多達 18 個內(nèi)核的 CPU 上按順序執(zhí)行復雜功能，而是通過數(shù)百個甚至數(shù)千個內(nèi)核同時工作的方式傳遞給 GPU。

　　這種處理能力正是人工智能、機器視覺和深度學習所需要的。GPU 計算可用于藝術(shù)家和游戲玩家的圖形渲染、HPC 和超級計算機工作站、邊緣和工業(yè)領(lǐng)域。

　　GPU 在視覺處理中的作用

　　GPU 在計算機游戲中創(chuàng)建視覺上令人驚嘆的虛構(gòu) 3D 世界方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。相同的核心處理能力現(xiàn)在將計算機帶入現(xiàn)實世界，并使它們以某種方式“看到”，從而允許它們對視覺輸入做出決定。

　　圖 2. 在 COVID 19 爆發(fā)期間，通過部署由 Cincoze GM-1000提供支持的自動化熱成像系統(tǒng)，它通過機器視覺成功地執(zhí)行了口罩檢測、人臉識別、圖像搜索和足跡跟蹤，有助于簡化流程并降低人工成本。

　　這種處理傳入的視覺數(shù)據(jù)的能力是GPU的主要作用，也是GPU計算機不同于通用計算機的地方。當然，任何帶有攝像頭的計算機都可以在有限的能力范圍內(nèi)做到這一點。不過，這相當于一個近視的司機在家里忘記戴眼鏡后試圖透過霧氣蒙蒙的窗戶行駛。如果你想活著到達，只能非常緩慢的駕駛。而GPU提供了F1賽車手在比賽日的敏銳目光和反應時間，以強烈的細節(jié)接受每一個輸入，并根據(jù)這些輸入采取行動。

　　根據(jù)該輸入采取行動是使“看到”工作良好的關(guān)鍵。那么這對工業(yè)應用有什么影響呢？

　　什么是工業(yè)GPU計算機？

　　工業(yè) GPU 計算機采用與用于惡劣工業(yè)環(huán)境的通用工業(yè)計算機相同的設計原則。這些通用特性可能包括堅固的設計、冗余組件、抗沖擊、抗振動、無風扇設計、寬工作溫度范圍、ESD 保護、防水和防塵。

　　核心區(qū)別在于，工業(yè) GPU 計算機至少支持一個 GPU 擴展卡，通常通過常規(guī)尺寸計算機中的 PCIe x16 擴展卡插槽或工業(yè)嵌入式系統(tǒng)中的較小移動 PCI Express 模塊 （MXM）。

　　GPU 給必須解決的整個系統(tǒng)帶來了額外的壓力。GPU 產(chǎn)生的熱量必須通過專門的冷卻機制進行處理，而不僅僅是向系統(tǒng)添加風扇。GPU 還引入了額外的功耗，因此系統(tǒng)電源必須能夠為 GPU 提供額外的功率。

　　GPU，無論是全尺寸還是緊湊型，都需要足夠的內(nèi)部空間。預期應用程序通常是必須連續(xù)運行的關(guān)鍵系統(tǒng)，因此系統(tǒng)保持在線狀態(tài)變得更加重要，在最壞的情況下，預測可能的故障并采取規(guī)避措施以避免損壞。

　　在工業(yè) GPU 計算機上尋找的一些功能包括：

　　通過使用替代或更可靠的連接，無需電纜和跳線。移除可以自由搖晃的電纜和跳線可以消除可能的故障源，尤其是在計算機經(jīng)歷大量振動和撞擊的應用中。

　　擠壓鋁制底盤，可以將熱量從內(nèi)部部件吸收到周圍環(huán)境中。

　　抗振動和抗沖擊，可承受工業(yè)應用的嚴苛考驗。影響這一點的因素很多，包括機械結(jié)構(gòu)、橡膠墊圈的選擇和設計，以及無電纜和無跳線的設計。5/50 Grms 評級是一個好的開始，但軍用評級已成為首選，MIL-STD-810G 為堅固耐用的計算機提供了嚴格的指導方針。

　　無風扇設計，典型的高性能工業(yè) GPU 計算機會產(chǎn)生大量熱量，因此需要風扇來冷卻系統(tǒng)。新的低功耗 GPU 優(yōu)化了性能，因此良好的散熱設計可以在不需要風扇的情況下帶走熱量，從而消除大多數(shù)計算機系統(tǒng)中機械故障的最大來源。

　　從-40℃到70℃的寬工作溫度。這通常就足夠了，因為即使對于工業(yè)應用，應用位置也被設計為將溫度保持在這個范圍內(nèi)，而且通常是一個更窄的范圍。

　　圖 3. Cincoze GP-3000本身是被動冷卻（無風扇）。為了應對散熱挑戰(zhàn)，GP-3000獨特的全方位散熱設計和機箱兩側(cè)的防塵外置智能風扇套件，在極端條件下滿負荷工作的情況下有效散熱。

　　ESD、過流和過壓保護可以防止工業(yè)環(huán)境中可能發(fā)生的錯誤的電氣異常對系統(tǒng)造成損害。在確實發(fā)生系統(tǒng)關(guān)閉的極少數(shù)情況下，0.2 秒的重啟時間將停機時間減少到絕對最短。支持9-48 VDC的寬范圍，為電壓波動提供了一些空間。

　　易于維護，使現(xiàn)場人員可以解決任何問題。因為你最不希望的就是在重要機器閑置時浪費時間等待外部專業(yè)技術(shù)人員。一個用戶友好的維護界面包括對經(jīng)常隱藏的項目的輕松訪問，如AT/ATX電源設置、清除CMOS、SIM卡訪問和熱插拔2.5英寸SATA插槽。最后，通過增加PoE、LAN和其他I/O或功能，定制基本型號很簡單，通過模塊化設計，如CMI模塊和CFM模塊，使這些附加組件像即插即用一樣簡單，并允許在任何時候輕松擴展。

　　行業(yè)認證通過設置標準來簡化硬件選擇。需要考慮的重要認證包括適用于鐵路應用的 EN 50155、適用于車載的 E-mark，甚至是美國國防部頒布的MIL-STD-810G，以在追求更高標準的過程中對軍事設備進行認證。當多種認證可供選擇并廣泛用于特定應用時，那么產(chǎn)品最好擁有這些認證。

　　在深入了解工業(yè)GPU計算機的具體應用之前，讓我們先快速了解一下有哪些選擇。

　　模糊的界限：服務器、耐用型和嵌入式GPU計算機

　　計算機類別之間的界限正在逐漸模糊。在消費領(lǐng)域，曾經(jīng)只有臺式電腦和筆記本電腦，一個是便攜式的，一個是桌面式的。現(xiàn)在，很難說一個類別在哪里停止，下一個類別在哪里開始。帶可拆卸鍵盤的平板電腦與可折疊成平板電腦的筆記本相比，相似之處多于不同之處。

　　類似的情況在工業(yè)GPU計算領(lǐng)域也有發(fā)生。在這里，我們將把它分為三大類。

　　AI 訓練 GPU 計算機，安裝在服務器機房中，溫度保持在非常嚴格的限制范圍內(nèi)，以實現(xiàn)最佳性能。由于這些系統(tǒng)旨在訓練 GPU 計算機在現(xiàn)場使用的模型，因此它們與以下兩個類別完全不同。

　　堅固耐用的工業(yè) GPU 計算機是標準的計算機尺寸，但增加了工業(yè)計算機所期望的堅固性。它們旨在用于服務器機房條件不可用的現(xiàn)場。它們總體上仍然很大，但與服務器機房的同類產(chǎn)品相比有所減少。由于空間限制，它們還將支持較少的 GPU 擴展卡，但提供靈活的擴展，通常最多兩個插槽。一個例子是 Cincoze 的GP-3000 工業(yè) GPU 計算機。

　　圖 4. 強大的 GPU 計算驅(qū)動需要密集處理并行性的應用程序。Cincoze GP-3000采用英特爾？ 工作站級至強？ 處理器，提供強大的 GPU 性能，支持多達兩個 250 W 高端全長（≤328 毫米）顯卡，系統(tǒng)總功率預算為 720 W。

　　嵌入式工業(yè) GPU 計算機專為狹小空間而設計。整體占用空間更小，它們通常是無風扇的，并且整體處理能力低于上述兩類。通常，GPU 選項將僅包括 MXM 等移動選項。堅固耐用的 MXM 系統(tǒng)的一個例子是GM-1000 嵌入式 GPU 計算機。

　　重疊最多的是工業(yè)PC和嵌入式系統(tǒng)之間，因為工業(yè)計算機可以相當小，但最小的系統(tǒng)也需要嵌入式系統(tǒng)。

　　因此，一般的期望和要求已經(jīng)確定。現(xiàn)在，工業(yè)GPU計算機的應用有哪些？工業(yè) GPU 計算機可以執(zhí)行哪些任務？

　　大致的答案是，工業(yè)GPU計算機可以執(zhí)行任何依賴人眼和觀察的應用。然而，這些眼睛是超級快的、超級準確的、而且不會因為一天的工作而感到疲憊。

　　圖 5. 堅固耐用的 GPU 計算平臺可以加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并正在成為多個垂直領(lǐng)域的潛在有價值投資，包括機器視覺、邊緣計算、交通視覺、智能控制、深度學習以及任何需要密集處理并行性和性能的應用程序 -驅(qū)動分析。

　　以下是一些典型的應用：

　　機器視覺機器視覺為機器提供“視覺”，相機會觀察某物（通常是生產(chǎn)線項目）并做出某種決定。應用包括自動光學檢測、自動分揀和視覺引導機械臂。由于空間限制，建議使用較小的嵌入式系統(tǒng)。

　　車載車載應用再次執(zhí)行“觀察”環(huán)境的任務。應用包括自動駕駛、駕駛員疲勞檢測、盲點檢測和自動鐵路/道路檢查。車輛在安裝方面提供了更大的靈活性，更大的車輛為更大的計算機提供了足夠的空間。

　　視頻監(jiān)控視頻監(jiān)控處理來自閉路電視系統(tǒng)的圖像，并針對操作員設置的某些特征和行為對其進行分析。應用包括現(xiàn)場監(jiān)控、行為預測和面部識別。

　　交通運輸應用旨在控制和預測交通系統(tǒng)內(nèi)的交通和人員的移動。應用包括交通監(jiān)控、車牌識別、行李檢查和鐵路/公路監(jiān)控。