工業(yè)GPU計算終極指南

自從第一個(gè)像素出現在顯示器上以來(lái)，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(jué)和一系列未來(lái)的計算機優(yōu)勢提供動(dòng)力。我們將嘗試總結 GPU 是什么、它的重要性、它們如何應用于工業(yè)計算機、它的用途、您可能需要 GPU 的原因以及選擇它們時(shí)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(lái)越多的任務(wù)是通過(guò)并行處理支持機器學(xué)習和 AI 推理分析以及同時(shí)進(jìn)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(jué)顯示指令并將像素放在屏幕上它們應該去的地方。

根據英特爾的說(shuō)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(lái)越受歡迎?！?nbsp;

最后一部分很重要，因為現代通用 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(lái)說(shuō)太慢了。那么這是怎么發(fā)生的呢？

GPU計算簡(jiǎn)史

為了準確起見(jiàn)，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(lèi)型?；?GPU 通常集成到現代 CPU 中，為大多數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(zhuān)用顯卡。

英偉達在 1999 年創(chuàng )造了 GPU 一詞，發(fā)布了 GeForce 256，被譽(yù)為“世界上第一個(gè) GPU”。盡管最初用于圖形密集型任務(wù)，但通用 GPU 已進(jìn)入其他領(lǐng)域。其中包括石油勘探、圖像處理、統計、股****期權定價(jià)、線(xiàn)性代數以及任何需要大規模數學(xué)運算的領(lǐng)域。

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

GPU有什么作用？

GPU 是課堂上的數學(xué)天才。它執行數學(xué)計算并快速執行數學(xué)算法。

與執行各種通用計算機任務(wù)（如訪(fǎng)問(wèn)內存和硬盤(pán)驅動(dòng)器等）的 CPU 不同，GPU 執行的功能集更為有限。

并行性是這些功能背后的驅動(dòng)力。數學(xué)任務(wù)不是在具有多達 18 個(gè)內核的 CPU 上按順序執行復雜功能，而是通過(guò)數百個(gè)甚至數千個(gè)內核同時(shí)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(jué)和深度學(xué)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(jué)處理中的作用

GPU 在計算機游戲中創(chuàng )建視覺(jué)上令人驚嘆的虛構 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在將計算機帶入現實(shí)世界，并使它們以某種方式“看到”，從而允許它們對視覺(jué)輸入做出決定。

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

這種處理傳入的視覺(jué)數據的能力是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做到這一點(diǎn)。不過(guò)，這相當于一個(gè)近視的司機在家里忘記戴眼鏡后試圖透過(guò)霧氣蒙蒙的窗戶(hù)行駛。如果你想活著(zhù)到達，只能非常緩慢的駕駛。而GPU提供了F1賽車(chē)手在比賽日的敏銳目光和反應時(shí)間，以強烈的細節接受每一個(gè)輸入，并根據這些輸入采取行動(dòng)。

根據該輸入采取行動(dòng)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(dòng)、無(wú)風(fēng)扇設計、寬工作溫度范圍、ESD 保護、防水和防塵。

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

GPU 給必須解決的整個(gè)系統帶來(lái)了額外的壓力。GPU 產(chǎn)生的熱量必須通過(guò)專(zhuān)門(mén)的冷卻機制進(jìn)行處理，而不僅僅是向系統添加風(fēng)扇。GPU 還引入了額外的功耗，因此系統電源必須能夠為 GPU 提供額外的功率。

GPU，無(wú)論是全尺寸還是緊湊型，都需要足夠的內部空間。預期應用程序通常是必須連續運行的關(guān)鍵系統，因此系統保持在線(xiàn)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(guò)使用替代或更可靠的連接，無(wú)需電纜和跳線(xiàn)。移除可以自由搖晃的電纜和跳線(xiàn)可以消除可能的故障源，尤其是在計算機經(jīng)歷大量振動(dòng)和撞擊的應用中。

擠壓鋁制底盤(pán)，可以將熱量從內部部件吸收到周?chē)h(huán)境中。

抗振動(dòng)和抗沖擊，可承受工業(yè)應用的嚴苛考驗。影響這一點(diǎn)的因素很多，包括機械結構、橡膠墊圈的選擇和設計，以及無(wú)電纜和無(wú)跳線(xiàn)的設計。5/50 Grms 評級是一個(gè)好的開(kāi)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(wú)風(fēng)扇設計，典型的高性能工業(yè) GPU 計算機會(huì )產(chǎn)生大量熱量，因此需要風(fēng)扇來(lái)冷卻系統。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(fēng)扇的情況下帶走熱量，從而消除大多數計算機系統中機械故障的最大來(lái)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(gè)范圍內，而且通常是一個(gè)更窄的范圍。

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

ESD、過(guò)流和過(guò)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造成損害。在確實(shí)發(fā)生系統關(guān)閉的極少數情況下，0.2 秒的重啟時(shí)間將停機時(shí)間減少到絕對最短。支持9-48 VDC的寬范圍，為電壓波動(dòng)提供了一些空間。 

易于維護，使現場(chǎng)人員可以解決任何問(wèn)題。因為你最不希望的就是在重要機器閑置時(shí)浪費時(shí)間等待外部專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員。一個(gè)用戶(hù)友好的維護界面包括對經(jīng)常隱藏的項目的輕松訪(fǎng)問(wèn)，如AT/ATX電源設置、清除CMOS、SIM卡訪(fǎng)問(wèn)和熱插拔2.5英寸SATA插槽。最后，通過(guò)增加PoE、LAN和其他I/O或功能，定制基本型號很簡(jiǎn)單，通過(guò)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(jiǎn)單，并允許在任何時(shí)候輕松擴展。 

行業(yè)認證通過(guò)設置標準來(lái)簡(jiǎn)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(chē)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(guò)程中對軍事設備進(jìn)行認證。當多種認證可供選擇并廣泛用于特定應用時(shí)，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(wù)器、耐用型和嵌入式GPU計算機

計算機類(lèi)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(gè)是便攜式的，一個(gè)是桌面式的?，F在，很難說(shuō)一個(gè)類(lèi)別在哪里停止，下一個(gè)類(lèi)別在哪里開(kāi)始。帶可拆卸鍵盤(pán)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(lèi)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(lèi)。

AI 訓練 GPU 計算機，安裝在服務(wù)器機房中，溫度保持在非常嚴格的限制范圍內，以實(shí)現最佳性能。由于這些系統旨在訓練 GPU 計算機在現場(chǎng)使用的模型，因此它們與以下兩個(gè)類(lèi)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(wù)器機房條件不可用的現場(chǎng)。它們總體上仍然很大，但與服務(wù)器機房的同類(lèi)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(gè)插槽。一個(gè)例子是 Cincoze 的GP-3000 工業(yè) GPU 計算機。

圖 4. 強大的 GPU 計算驅動(dòng)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(gè) 250 W 高端全長(cháng)（≤328 毫米）顯卡，系統總功率預算為 720 W。

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

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

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

大致的答案是，工業(yè)GPU計算機可以執行任何依賴(lài)人眼和觀(guān)察的應用。然而，這些眼睛是超級快的、超級準確的、而且不會(huì )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字化轉型，并正在成為多個(gè)垂直領(lǐng)域的潛在有價(jià)值投資，包括機器視覺(jué)、邊緣計算、交通視覺(jué)、智能控制、深度學(xué)習以及任何需要密集處理并行性和性能的應用程序 -驅動(dòng)分析。

以下是一些典型的應用：

機器視覺(jué)機器視覺(jué)為機器提供“視覺(jué)”，相機會(huì )觀(guān)察某物（通常是生產(chǎn)線(xiàn)項目）并做出某種決定。應用包括自動(dòng)光學(xué)檢測、自動(dòng)分揀和視覺(jué)引導機械臂。由于空間限制，建議使用較小的嵌入式系統。

車(chē)載車(chē)載應用再次執行“觀(guān)察”環(huán)境的任務(wù)。應用包括自動(dòng)駕駛、駕駛員疲勞檢測、盲點(diǎn)檢測和自動(dòng)鐵路/道路檢查。車(chē)輛在安裝方面提供了更大的靈活性，更大的車(chē)輛為更大的計算機提供了足夠的空間。

視頻監控視頻監控處理來(lái)自閉路電視系統的圖像，并針對操作員設置的某些特征和行為對其進(jìn)行分析。應用包括現場(chǎng)監控、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內的交通和人員的移動(dòng)。應用包括交通監控、車(chē)牌識別、行李檢查和鐵路/公路監控。

原文鏈接：

https://circuitcellar.com/newsletter/the-ultimate-guide-to-gpu-computers/