高性能圖形處理單元 （GPU） 的內(nèi)部計(jì)算架構(gòu)已從固定功能圖形執(zhí)行單元發(fā)展為完全可編程的單指令多數(shù)據(jù) （SIMD） 處理器陣列。這種演變是由視頻游戲社區(qū)的需求推動(dòng)的，即并行執(zhí)行通用物理計(jì)算，以使煙霧、碎片、火災(zāi)和流體等行為更加逼真。將這些相同類型的重復(fù)并行計(jì)算卸載和加速到 GPU 上的能力為雷達(dá)、聲納和圖像處理等軍事技術(shù)提供了巨大的潛力。高效實(shí)施的關(guān)鍵是新一代工具，如 OpenCL 和 CUDA，它們集成了跨異構(gòu) CPU/GPU 架構(gòu)的代碼開(kāi)發(fā)以及支持它們的內(nèi)存和 I/O 帶寬。

單邊處理光線

高性能 GPU 設(shè)備的核心通常具有多達(dá) 128 個(gè) 32 位單精度處理器內(nèi)核，主頻為 1 GHz 或更高。它們被組織為并行 SIMD 陣列，以便處理器組可以在不同的數(shù)據(jù)集上并行執(zhí)行相同的指令。作為 GPU 運(yùn)行時(shí)，主要要求是利用動(dòng)畫 3D 圖形功能，例如著色器。然而，GPU 正在從特定的著色器處理器演變而成為更通用的數(shù)學(xué)處理器，現(xiàn)在稱為“流處理器”。借助正確的工具，GPU 可以更廣泛地應(yīng)用于加速多種基于 PC 的應(yīng)用程序，例如基因研究、地震處理、氣象處理和 DSP，其成本遠(yuǎn)低于其他更具體的硬件加速形式。

一家主要的GPU制造商N(yùn)VIDIA開(kāi)發(fā)了一種稱為CUDA的軟件環(huán)境，以將GPU的潛力釋放到這些其他應(yīng)用領(lǐng)域。CUDA 通過(guò)允許通過(guò)隱藏 GPU 流處理器及其與 CPU 接口的抽象函數(shù)庫(kù)進(jìn)行內(nèi)聯(lián) C 代碼開(kāi)發(fā)來(lái)支持 CPU 和 GPU 的組合。這提供了一個(gè)非常靈活的編程接口，并允許將來(lái)對(duì)流處理器進(jìn)行增長(zhǎng)甚至根本性更改，而不會(huì)影響現(xiàn)有代碼。為了減少錯(cuò)誤的范圍，CUDA 采用簡(jiǎn)單的編程模型，在內(nèi)部管理多個(gè)線程以優(yōu)化處理器利用率，因此無(wú)需編寫顯式線程代碼。

沒(méi)有圖形的圖形 GPU

矛盾的是，會(huì)有一類嵌入式應(yīng)用程序根本不會(huì)生成任何本地圖形輸出。通常，此類可能包括無(wú)人機(jī)或水下遙控車輛（ROV）或許多其他類型的無(wú)人傳感器中的圖像處理。具有 GPU 的嵌入式 PC 成為圖像增強(qiáng)、穩(wěn)定、模式識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、視頻編碼或加密/解密的理想平臺(tái)。這些都是可以用常規(guī) C 代碼編寫以在高性能 PC 上運(yùn)行的應(yīng)用程序，但可以通過(guò) GPU 流處理器加速以運(yùn)行速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。GPU 提供已經(jīng)集成到許多 PC 配置中的通用并行處理，并且通過(guò)使用現(xiàn)成的工具（如 CUDA、MathWorks 的 MATLAB 和移植的 VSIPL DSP 庫(kù)）來(lái)構(gòu)建、測(cè)試和驗(yàn)證應(yīng)用程序，需要的專業(yè)技能低于 FPGA 開(kāi)發(fā)。

PCI Express 是性能的關(guān)鍵

嵌入式傳感器處理應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)帶寬來(lái)接收和處理連續(xù)的傳入原始圖像數(shù)據(jù)流。CUDA 處理多線程并因此最大化 GPU SIMD 陣列的處理負(fù)載的能力取決于外部接口及其本地內(nèi)存接口的性能。高端GPU設(shè)備將使用16通道PCI Express 2.0，是早期PCI Express 1.0數(shù)據(jù)速率的兩倍，理論上每通道500 MBps。對(duì)于堅(jiān)固耐用的嵌入式應(yīng)用，這非常適合VPX （ANSI/VITA 46）封裝標(biāo)準(zhǔn)的流行3U和6U格式，并具有擴(kuò)展的高速連接性。GE Fanuc Intelligent Platforms的MAGIC1強(qiáng)固型嵌入式PC（如圖1所示）基于3U VPX外形，并經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)和增強(qiáng)，以支持NVIDIA支持CUDA的GPU。雖然這種嵌入式PC非常適合3U格式，但6U配置文件還具有空間和更大的連接性，有可能基于許多多核處理器和GPU使用PCI Express 2.0作為互連的新型強(qiáng)大多計(jì)算引擎。

GPU 正在迅速發(fā)展，創(chuàng)造了一種處理能力，可在許多不同的市場(chǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。CUDA 和類似的開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了對(duì)這種未開(kāi)發(fā)性能儲(chǔ)備的可訪問(wèn)性。因此，堅(jiān)固耐用的軍事和航空航天領(lǐng)域似乎將改變復(fù)雜、耗時(shí)的傳感器應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證和成功部署方式。

審核編輯：郭婷