加速處理單元

加速處理單元，是指計算機系統中，中央處理器內集成可以輔助傳統中央處理器處理特殊類型的計算任務的處理單元，一般是“通用處理器核心”+“流處理單元”的組合設計。

這種設計可以提升中央處理器處理這些特殊類型的計算任務的性能，這些特殊的計算任務可以是圖形處理、矢量計算等等，輔助的處理單元一般是顯示核心（現在多為通用圖形處理器，GPGPU）、現場可程式邏輯門陣列（field-programmable gate array，FPGA），或類似的可處理某種特殊計算任務的專用處理單元。

基本介紹

• 中文名：加速處理單元
• 外文名：Accelerated Processing Unit
• 別名：加速處理器
• 簡稱：APU

發展歷史

“加速處理單元”這一概念在2006年首次在回應運算提速的問題上被提出，並在公眾中使用。而後在各種技術演講，以及Joe Landman所寫的Scalable Informatics[5]商業計畫中也可以見到。不過也有將“加速處理單元”專指輔助處理單元的用法，如Xilinx。

加速處理單元（APU）變得廣為人知的時候，是2011年超微半導體推出的AMD APU系列處理器。由於AMD為AMD Fusion（現時是AMD APU）所做的市場宣傳的影響，使得不少人一般認為APU是傳統中央處理器核心中內置顯示核心（即微處理器和顯示核心集成在一塊晶片上）的AMD APU產品，然而這種設計也的確可以提升CPU和GPU（內置）之間的數據傳送性能並且降低處理器晶片運作時的耗電量以及發熱量，以現行的技術手段，和相比傳統的CPU到位於北橋晶片內的集成式顯示核心這種設計來說。嚴格來說，加速處理單元由於中央處理器核心可以擁有顯示核心以外的輔助運算單元，相當類似於硬體加速。

除了AMD提出的AMD Fusion項目之外，還有IBM和Sony等公司共同開發的Cell處理器（一個PPE核心+8個SPE核心）、Intel自Intel Westmere微架構及以後的一些內置Intel HD Graphics顯示核心的微處理器、NVIDIA的“Project Denver”等新形態的微處理器，甚至超微自家的AMD Radeon HD 8000系列顯示核心（或將內置ARM架構的通用控制單元）和英特爾已取消的獨立顯示核心項目Larrabee，這些與以往形態不同，以“通用處理器核心”+“流處理單元”的處理器，廣義上也可以認為是“加速處理單元”。

硬體加速

中央處理器的結構使得它能夠在短時間內完成各種各樣不同的指令。它能夠處理什麼指令主要由軟體限制。但是由於中央處理器的結構有些重複任務無法非常有效和迅速地被處理。由於軟體的原因處理器最佳化的可能性有限。

通過使用專門為這樣的重複任務設計的特殊硬體元件（晶片或者處理器）可以解決這個問題。這些特殊硬體元件不必像中央處理器那樣靈活，因此它們的硬體設計就已經顧及了最佳化處理這些特殊問題的需要，這樣一來中央處理器有時間去處理其它任務。

有些任務能夠通過把它們分解為上千小任務非常有效地被解決。比如對一定的頻率帶做傅立葉變換或者渲染一小塊圖像。這些小任務可以互相之間不相關地平行計算。通過大量平行計算，即適用大量平行運行的小處理器來處理這些特殊任務總的計算速度可以大大提高。在許多情況下計算速度隨平行處理器的數量線性提高。比如在GeForce 200圖像卡上192個流處理器平行運行。

從有效利用能源的角度出發這樣的平行計算也有意義。能源使用隨平行處理器的數量線性提高，而隨處理器頻率成平方比提高。因此通過平行運算處理器的頻率不必過高，使用的能量也比較少。

其它套用

計算機工業不斷推出新的邏輯元件來減輕主處理器的工作，解決特殊任務。其中包括處理MP3數據、處理錄像數據、產生聲頻信號、數位訊號處理器等。1980、90年代裡使用的數學輔助處理器也可以算在裡面。這些數學輔助處理器協助中央處理器計算浮點數。它們可以被插在主機板上的專門插座里。今天它們和主處理器被集成到同一晶片上去了。