TPU
什麼是 TPU (Tensor Processing Unit)?
TPU(張量處理單元)是 Google 專為機器學習(Machine Learning)神經網絡研發的特定應用積體電路(ASIC)。
不同於 CPU 的通用計算或 GPU 的圖形與並行計算,TPU 是為了加速深度學習中的張量運算(Tensor Operations)而生。它特別針對 Google 的 TensorFlow 框架進行了優化,能夠在處理大規模矩陣運算時提供極高的效率。
TPU 與 GPU 的核心差異
| 特性 | GPU (Graphics Processing Unit) | TPU (Tensor Processing Unit) |
|---|---|---|
| 設計目的 | 通用並行計算、圖形渲染 | 專用 AI 加速(特定領域架構) |
| 核心架構 | 數千個小型核心,擅長 SIMD(單指令多數據) | 脈動陣列(Systolic Array),擅長矩陣乘法 |
| 靈活性 | 高,適用於各種 AI 框架、科學計算、遊戲 | 低,主要針對 TensorFlow/JAX 優化(雖已支援 PyTorch) |
| 精度 | 支援多種精度 (FP32, FP64, INT8 等) | 針對低精度優化 (bfloat16),犧牲極高精度換取速度 |
| 能效比 | 較高,但對於特定 AI 負載不如 TPU | 極高,專注於矩陣運算的每瓦效能最佳化 |
| 記憶體存取 | 依賴高頻寬記憶體 (HBM),需頻繁讀寫 | 減少記憶體存取次數,數據在晶片內流動復用 |
簡單比喻:
- CPU 像是一個博學多聞的教授,什麼都會算,但速度普通。
- GPU 像是一群小學生同時做簡單的加減法,人多力量大,適合處理大量並行的畫素或數據。
- TPU 像是專門為了算「矩陣乘法」而設計的超級計算機,它只會做這件事,但做得比誰都快、都省電。
Google 轉向 TPU 對業界的重大影響
Google 發展 TPU 並將其作為 AI 戰略核心,對科技與晶片產業造成了深遠影響:
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打破 Nvidia 的壟斷局面:
在 AI 起飛初期,Nvidia 的 GPU 幾乎是唯一選擇。Google 推出 TPU 證明了針對特定工作負載設計的 ASIC 可以比通用 GPU 更高效。這迫使 Nvidia 加速創新(如推出 Tensor Cores),也激勵了其他雲端巨頭(如 AWS 的 Inferentia/Trainium、微軟的 Maia)開始自研 AI 晶片,減少對 Nvidia 的依賴。 -
垂直整合的成本優勢:
Google 擁有從晶片(TPU)、框架(TensorFlow/JAX)到應用(Search, Photos, Gemini)的完整垂直整合能力。這使得 Google 在訓練超大規模模型(如 Gemini)時,能以比競爭對手更低的成本和更高的效率進行,形成強大的護城河。 -
推動 AI 基礎設施的專用化:
TPU 的成功標誌著「通用計算」時代向「專用計算」時代的轉變。為了追求極致的 AI 效能,業界開始意識到通用硬體(General Purpose Hardware)已不足以應對摩爾定律放緩下的算力需求,客製化晶片(Custom Silicon)成為解決算力瓶頸的關鍵路徑。 -
加速生成式 AI 的落地:
TPU 的強大算力支撐了 Google 許多核心服務的 AI 化,並加速了 Transformer 架構等大模型的研發與迭代。沒有 TPU 龐大的算力叢集(TPU Pods),現代大規模語言模型的訓練成本將會更加高昂且緩慢。