Разница между CPU и GPU. Центральный и графический процессор

Графические процессоры (graphics processing unit, GPU) - яркий пример того, как технология, спроектированная для задач графической обработки, распространилась на несвязанную область высокопроизводительных вычислений. Современные GPU являются сердцем множества сложнейших проектов в сфере машинного обучения и анализа данных. В нашей обзорной статье мы расскажем, как клиенты Selectel используют оборудование с GPU, и подумаем о будущем науки о данных и вычислительных устройств вместе с преподавателями Школы анализа данных Яндекс.

Графические процессоры за последние десять лет сильно изменились. Помимо колоссального прироста производительности, произошло разделение устройств по типу использования. Так, в отдельное направление выделяются видеокарты для домашних игровых систем и установок виртуальной реальности. Появляются мощные узкоспециализированные устройства: для серверных систем одним из ведущих ускорителей является NVIDIA Tesla P100 , разработанный именно для промышленного использования в дата-центрах. Помимо GPU активно ведутся исследования в сфере создания нового типа процессоров, имитирующих работу головного мозга. Примером может служить однокристальная платформа Kirin 970 с собственным нейроморфным процессором для задач, связанных с нейронными сетями и распознаванием образов.

Подобная ситуация заставляет задуматься над следующими вопросами:

• Почему сфера анализа данных и машинного обучения стала такой популярной?
• Как графические процессоры стали доминировать на рынке оборудования для интенсивной работы с данными?
• Какие исследования в области анализа данных будут наиболее перспективными в ближайшем будущем?

Попробуем разобраться с этими вопросами по порядку, начиная с первых простых видеопроцессоров и заканчивая современными высокопроизводительными устройствами.

Эпоха GPU

Для начала вспомним, что же такое GPU. Graphics Processing Unit — это графический процессор широко используемый в настольных и серверных системах. Отличительной особенностью этого устройства является ориентированность на массовые параллельные вычисления. В отличие от графических процессоров архитектура другого вычислительного модуля CPU (Central Processor Unit) предназначена для последовательной обработки данных. Если количество ядер в обычном CPU измеряется десятками, то в GPU их счет идет на тысячи, что накладывает ограничения на типы выполняемых команд, однако обеспечивает высокую вычислительную производительность в задачах, включающих параллелизм.

Первые шаги

Развитие видеопроцессоров на ранних этапах было тесно связано с нарастающей потребностью в отдельном вычислительном устройстве для обработки двух и трехмерной графики. До появления отдельных схем видеоконтроллеров в 70-х годах вывод изображения осуществлялся через использование дискретной логики, что сказывалось на увеличенном энергопотреблении и больших размерах печатных плат. Специализированные микросхемы позволили выделить разработку устройств, предназначенных для работы с графикой, в отдельное направление.

Следующим революционным событием стало появление нового класса более сложных и многофункциональных устройств — видеопроцессоров. В 1996 году компания 3dfx Interactive выпустила чипсет Voodoo Graphics, который быстро занял 85% рынка специализированных видеоустройств и стал лидером в области 3D графики того времени. После серии неудачных решений менеджмента компании, среди которых была покупка производителя видеокарт STB, 3dfx уступила первенство NVIDIA и ATI (позднее AMD), а в 2002 объявила о своем банкротстве.

Общие вычисления на GPU

В 2006 году NVIDIA объявила о выпуске линейки продуктов GeForce 8 series, которая положила начало новому классу устройств, предназначенных для общих вычислений на графических процессорах (GPGPU). В ходе разработки NVIDIA пришла к пониманию, что большее число ядер, работающих на меньшей частоте, более эффективны для параллельных нагрузок, чем малое число более производительных ядер. Видеопроцессоры нового поколения обеспечили поддержку параллельных вычислений не только для обработки видеопотоков, но также для проблем, связанных с машинным обучением, линейной алгеброй, статистикой и другими научными или коммерческими задачами.

Признанный лидер

Различия в изначальной постановке задач перед CPU и GPU привели к значительным расхождениям в архитектуре устройств - высокая частота против многоядерности. Для графических процессоров это заложило вычислительный потенциал, который в полной мере реализуется в настоящее время. Видеопроцессоры с внушительным количеством более слабых вычислительных ядер отлично справляются с параллельными вычислениями. Центральный же процессор, исторически спроектированный для работы с последовательными задачами, остается лучшим в своей области.

Для примера сравним значения в производительности центрального и графического процессора на выполнении распространенной задачи в нейронных сетях - перемножении матриц высокого порядка. Выберем следующие устройства для тестирования:

• CPU. Intel Xeon E5-2680 v4 — 28 потоков с HyperThreading, 2.4 GHZ;
• GPU. NVIDIA GTX 1080 — 2560 CUDA Cores, 1607 Mhz, 8GB GDDR5X.

Используем пример вычисления перемножения матриц на CPU и GPU в Jupyter Notebook:

В коде выше мы измеряем время, которое потребовалось на вычисление матриц одинакового порядка на центральном или графическом процессоре («Время выполнения»). Данные можно представить в виде графика, на котором горизонтальная ось отображает порядок перемножаемых матриц, а вертикальная - Время выполнения в секундах:

Линия графика, выделенная оранжевым, показывает время, которое требуется для создания данных в обычном ОЗУ, передачу их в память GPU и последующие вычисления. Зеленая линия показывает время, которое требуется на вычисление данных, которые были сгенерированы уже в памяти видеокарты (без передачи из ОЗУ). Синяя отображает время подсчета на центральном процессоре. Матрицы порядка менее 1000 элементов перемножаются на GPU и CPU почти за одинаковое время. Разница в производительности хорошо проявляется с матрицами размерами более 2000 на 2000, когда время вычислений на CPU подскакивает до 1 секунды, а GPU остается близким к нулю.

Более сложные и практические задачи эффективнее решаются на устройстве с графическими процессорами, чем без них. Поскольку проблемы, которые решают наши клиенты на оборудовании с GPU, очень разнообразны, мы решили выяснить, какие самые популярные сценарии использования существуют.

Кому в Selectel жить хорошо с GPU?

Первый вариант, который сразу приходит на ум и оказывается правильной догадкой — это майнинг, однако любопытно отметить, что некоторые применяют его как вспомогательный способ загрузить оборудование на «максимум». В случае аренды выделенного сервера с видеокартами, время свободное от рабочих нагрузок используется для добычи криптовалют, не требующих специализированных установок (ферм) для своего получения.

Ставшие уже в какой-то степени классическими, задачи, связанные с графической обработкой и рендерингом, неизменно находят свое место на серверах Selectel с графическими ускорителями. Использование высокопроизводительного оборудования для таких задач позволяет получить более эффективное решение, чем организация выделенных рабочих мест с видеокартами.

В ходе разговора с нашими клиентами мы также познакомились с представителями Школы анализа данных Яндекс, которая использует мощности Selectel для организации тестовых учебных сред. Мы решили узнать побольше о том, чем занимаются студенты и преподаватели, какие направления машинного обучения сейчас популярны и какое будущее ожидает индустрию, после того как молодые специалисты пополнят ряды сотрудников ведущих организаций или запустят свои стартапы.

Наука о данных

Пожалуй, среди наших читателей не найдется тех, кто не слышал бы словосочетания «нейронные сети» или «машинное обучение». Отбросив маркетинговые вариации на тему этих слов, получается сухой остаток в виде зарождающейся и перспективной науки о данных.

Современный подход к работе с данными включает в себя несколько основных направлений:

• Большие данные (Big Data). Основная проблема в данной сфере - колоссальный объем информации, который не может быть обработан на единственном сервере. С точки зрения инфраструктурного обеспечения, требуется решать задачи создания кластерных систем, масштабируемости, отказоустойчивости, и распределенного хранения данных;
• Ресурсоемкие задачи (Машинное обучение, глубокое обучение и другие). В этом случае поднимается вопрос использования высокопроизводительных вычислений, требующих большого количества ОЗУ и процессорных ресурсов. В таких задачах активно используются системы с графическими ускорителями.

Граница между данными направления постепенно стирается: основные инструменты для работы с большими данным (Hadoop, Spark) внедряют поддержку вычислений на GPU, а задачи машинного обучения охватывают новые сферы и требуют бо́льших объемов данных. Разобраться подробнее нам помогут преподаватели и студенты Школы анализа данных.

Трудно переоценить важность грамотной работы с данными и уместного внедрения продвинутых аналитических инструментов. Речь идёт даже не о больших данных, их «озерах» или «реках», а именно об интеллектуальном взаимодействии с информацией. Происходящее сейчас представляет собой уникальную ситуацию: мы можем собирать самую разнообразную информацию и использовать продвинутые инструменты и сервисы для глубокого анализа. Бизнес внедряет подобные технологии не только для получения продвинутой аналитики, но и для создания уникального продукта в любой отрасли. Именно последний пункт во многом формирует и стимулирует рост индустрии анализа данных.

Новое направление

Повсюду нас окружает информация: от логов интернет-компаний и банковских операций до показаний в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Умение работать с этими данными может принести миллионные прибыли и дать ответы на фундаментальные вопросы о строении Вселенной. Поэтому анализ данных стал отдельным направлением исследований среди бизнес и научного сообщества.

Школа анализа данных готовит лучших профильных специалистов и ученых, которые в будущем станут основным источником научных и индустриальных разработок в данной сфере. Развитие отрасли сказывается и на нас как на инфраструктурном провайдере - все больше клиентов запрашивают конфигурации серверов для задач анализа данных.

От специфики задач, стоящих перед нашими клиентами, зависит то, какое оборудование мы должны предлагать заказчикам и в каком направлении следует развивать нашу продуктовую линейку. Совместно со Станиславом Федотовым и Олегом Ивченко мы опросили студентов и преподавателей Школы анализа данных и выяснили, какие технологии они используют для решения практических задач.

Технологии анализа данных

За время обучения слушатели от основ (базовой высшей математики, алгоритмов и программирования) доходят до самых передовых областей машинного обучения. Мы собирали информацию по тем, в которых используются серверы с GPU:

• Глубинное обучение;
• Обучение с подкреплением;
• Компьютерное зрение;
• Автоматическая обработка текстов.

Студенты используют специализированные инструменты в своих учебных заданиях и исследованиях. Некоторые библиотеки предназначены для приведения данных к необходимому виду, другие предназначены для работы с конкретным типом информации, например, текстом или изображениями. Глубинное обучение - одна из самых сложных областей в анализе данных, которая активно использует нейронные сети. Мы решили узнать, какие именно фреймворки преподаватели и студенты применяют для работы с нейронными сетями.

Представленные инструменты обладают разной поддержкой от создателей, но тем не менее, продолжают активно использоваться в учебных и рабочих целях. Многие из них требуют производительного оборудования для обработки задач в адекватные сроки.

Дальнейшее развитие и проекты

Как и любая наука, направление анализа данных будет изменяться. Опыт, который получают студенты сегодня, несомненно войдет в основу будущих разработок. Поэтому отдельно стоит отметить высокую практическую направленность программы - некоторые студенты во время учебы или после начинают стажироваться в Яндексе и применять свои знания уже на реальных сервисах и службах (поиск, компьютерное зрение, распознавание речи и другие).

О будущем анализа данных мы поговорили с преподавателями Школы анализа данных, которые поделились с нами своим видением развития науки о данных.

По мнению Влада Шахуро , преподавателя курса «Анализ изображений и видео», самые интересные задачи в компьютерном зрении - обеспечение безопасности в местах массового скопления людей, управление беспилотным автомобилем и создание приложение с использованием дополненной реальности. Для решения этих задач необходимо уметь качественно анализировать видеоданные и развивать в первую очередь алгоритмы детектирования и слежения за объектами, распознавания человека по лицу и трехмерной реконструкции наблюдаемой сцены. Преподаватель Виктор Лемпицкий , ведущий курс «Глубинное обучение», отдельно выделяет в своем направлении автокодировщики, а также генеративные и состязательные сети.

Один из наставников Школы анализа данных делится своим мнением касательно распространения и начала массового использования машинного обучения:

«Машинное обучение из удела немногих одержимых исследователей превращается в ещё один инструмент рядового разработчика. Раньше (например в 2012) люди писали низкоуровневый код для обучения сверточных сетей на паре видеокарт. Сейчас, кто угодно может за считанные часы:

• скачать веса уже обученной нейросети (например, в keras);
• сделать с ее помощью решение для своей задачи (fine-tuning, zero-shot learning);
• встроить её в свой веб-сайт или мобильное приложение (tensorflow / caffe 2).

Многие большие компании и стартапы уже выиграли на такой стратегии (например, Prisma), но еще больше задач только предстоит открыть и решить. И, быть может, вся эта история с машинным/глубинным обучением когда-нибудь станет такой же обыденностью, как сейчас python или excel»

Точно предсказать технологию будущего сегодня не сможет никто, но когда есть определенный вектор движения можно понимать, что следует изучать уже сейчас. А возможностей для этого в современном мире — огромное множество.

Возможности для новичков

Изучение анализа данных ограничивается высокими требованиями к обучающимся: обширные познания в области математики и алгоритмики, умение программировать. По-настоящему серьезные задачи машинного обучения требуют уже наличия специализированного оборудования. А для желающих побольше узнать о теоретической составляющей науки о данных Школой анализа данных совместно с Высшей Школой Экономики был запущен онлайн курс « ».

Вместо заключения

Рост рынка графических процессоров обеспечивается возрастающим интересом к возможностям таких устройств. GPU применяется в домашних игровых системах, задачах рендеринга и видеообработки, а также там, где требуются общие высокопроизводительные вычисления. Практическое применение задач интеллектуального анализа данных будет проникать все глубже в нашу повседневную жизнь. И выполнение подобных программ наиболее эффективно осуществляется именно с помощью GPU.

Мы благодарим наших клиентов, а также преподавателей и студентов Школы анализа данных за совместную подготовку материала, и приглашаем наших читателей познакомиться с ними поближе .

А опытным и искушенным в сфере машинного обучения, анализа данных и не только мы предлагаем посмотреть от Selectel по аренде серверного оборудования с графическми ускорителями: от простых GTX 1080 до Tesla P100 и K80 для самых требовательных задач.

Привет ребята. Сегодня мы будем говорить про GPU Speed — я расскажу простыми словами что это. Ну для начала разберем само название, GPU это графический процессор или по-простому видеокарта ваша, кстати расшифровывается как Graphics Processing Unit. Второе слово это Speed и оно означает скорость. Какой вывод? GPU Speed означает скорость видеокарты.

Но что означает скорость видеокарты? Вот и я подумал.. скорость, как бы такого понятия нет. Есть частота видюхи, то есть графического процессора. И чем выше эта частота, тем соответственно быстрее работает видюха.

Я пошел в интернет чтобы немного прояснить эту ситуацию и.. вот что узнал, смотрите, вот нашел такую картинку:

На картинке фирменная прога от Asus, это GPU Tweak II. И я так понимаю что прога позволяет переключать режимы видюхи. И вот смотрите, на картинке написано 122%, верно? Что это означает? А означает то, что видюха работает на 22% производительнее чем обычно. То есть некий такой разгончик себе. И справа сразу мы видим температуру, чтобы смотреть как там дела, ведь при разгоне температура повышается все таки.

То есть первый реальный случай где может быть GPU Speed — это фирменная прога по настройке видюхи, обычно в ней идут всякие режимы, там игровой, офисный, тихий режим, и может еще какие-то. И вроде даже можно создать собственный режим.

Вот я нашел еще одну картинку, тут все таже прога, но уже 137% стоит:

И вверху видите выбран режим Gaming Mode, то есть игровой режим.

GPU Speed 100 — это нормально?

Значит ребята, в интернете видел сообщения некоторых, они спрашивают GPU Speed 100 это нормально или нет? Ну тут вопрос не совсем ясный мне, да и должен признаться я не особо разбираюсь в видеокартах.. Но есть серьезная причина, по которой я решил написать.

Значит смотрите, при простое видеокарта также может скидывать частоту как это умеет делать процессор? Я посмотрел в интернете — вроде умеет. Но что это значит, когда видеокарта в простое загружена на все 100 процентов? А тут ребята не все так просто. Я могу ошибаться, но не так много есть программ, которые нагружают именно видеокарту, а не как обычно процессор. То есть если проге нужна мощь, то обычно она берет себе процессор, верно? Но не видеокарту, я конечно не имею ввиду игры.. если игра грузит видюху, то я думаю это нормально как бэ. Но знаете к чему я клоню? Да вот к тому, что может быть это.. майнер. Есть такие вирусы, которые используют мощь видюхи в своих целях. Некоторые это делают нагло и поэтому это сразу заметно, а некоторые используют чучуть только производительности и делают так, чтобы это было незаметно..

Еще раз — то есть вирус использует не процессор, как это делают большинство и вирусов и обычных программ, а в первую очередь именно видюху. Или вернее графический процессор. Таким образом они майнят там что-то, типа биткоины какие-то добывают, зарабатывают что ли, непонятно. Можете поискать в интернете про майнеры, такие вирусы как бы не редкость, в интернете куча сообщений о том что какой-то процесс грузит без причины так комп.

В общем если видеокарта загружена на 100 процентов в простое, то первым делом я бы проверил комп на вирусы. Для этого я советую вам использовать утилиту Dr.Web CureIt!, ее скачать можно вот тут (это офф сайт):

Кстати вот я могу ошибаться.. но смотрите на картинку:

Видите, там где GPU Speed, то там 100%, а вот там где VRAM Usage, то там 1%. Повторюсь, что я не особо понимаю в видеокартах, но мне кажется что это странная ситуация, когда графический процессор нагружен на все 100%, а вот видеопамять (это VRAM Usage) вообще не используется.. Вот это ситуация как мне кажется подозрительная.

Fan Speed GPU это что?

Fan Speed означает скорость вентилятора, это относится к охлаждению. И если в Fan Speed GPU показываются проценты, то это означает на сколько работает система охлаждения видеокарты. Просто могут быть не проценты а RPM — это количество оборотов вентилятора. Вот например прога от AMD Radeon Settings и тут есть такой вот показатель, правда просто Fan Speed, без GPU, в общем смотрите:

А вот прога снова GPU Tweak II и тут есть Fan Speed и как я понимаю можно регулировать в процентах:

Вот такие дела ребята, надеюсь что инфа была вам полезна, ну а если что не так, то извините! Удачи вам и пусть у вас все будет хорошо!

В этой статье можно получить пояснение, что GPU в компьютере - это графический процессор, или, как многим удобно говорить, видеокарта. Она может быть встроенной или дискретной. В зависимости от можно подобрать необходимое охлаждение и достойное питание.

Встроенный GPU

Интегрированная видеокарта располагается на материнской плате или в процессоре. То, что это GPU в компьютере, не означает, что надо запускать требовательные игры или фильмы в высоком качестве. Дело в том, что видеокарты данного типа рассчитаны на работу с простыми приложениями, которые не требуют больших ресурсов. К тому же они не потребляют большое количество энергии.

Что касается объема памяти, то интегрированное GPU в компьютере использует для работы объем и частоты оперативной памяти.

Большинство пользователей используют карты данного типа только для того, чтобы установить драйвера на дискретную видеокарту.

Дискретный GPU

Дискретный вид GPU в компьютере - что это такое? В отличии от интегрированного графического процессора, дискретные видеокарты представляют собой отдельный модуль, который состоит из самого процессора, нескольких радиаторов, кулеров охлаждения, чипов памяти, конденсаторов, а в случае повышенной мощности - водяного охлаждения.

Такие видеокарты могут быть как игровыми, так и офисными. Например, у производителя Invidia они различаются сериями выхода. Вот модель GT630 является офисной, а GTX660 именуется игровой. Первая цифра означает поколение графического процессора, а две последующие указывают на серию. Нумерация до 50 серии говорит о том, что оборудование является офисным, а от 50 до 90 - это игровые карты. Причем чем больше цифра, тем производительнее чип используется в видеокарте. Приставка в виде буквы "Х" означает предлежание к игровой категории, так как такие видеокарты имеют разгонный потенциал. Также им требуется отдельное дополнительное питание, потому что их ресурсы потребляют много энергии. Теперь есть общее представление о том, что это - GPU в компьютере.

Что касается Radeon, то у них система опознания очень проста. В четырехзначной системе первая цифра отвечает за поколение, вторая - за серию, а две последние цифры указывают на последовательность модели. За различие между офисными и дискретными представителями отвечают именно они.

Нормальная температура GPU в компьютере

Для нормального функционирования в процессоре должна поддерживаться оптимальная температура, и для каждого комплектующего она своя. Что касается GPU, то его рабочая температура обычно не превышает отметки 65 градусов. Чип может выдержать нагрев до 90 градусов, но лучше не допускать подобного, иначе составляющие видеочипа подвергаются разрушению.

За нормальную температуру отвечают несколько составляющих видеокарты - это термопаста, кулеры, радиаторы и система питания.

Термопасту необходимо регулярно менять, так как со временем она твердеет и теряет свою охлаждающую функцию. Ее замена не занимает много времени - достаточно удалить остатки старой пасты и аккуратно нанести новую.

Еще один способ, как понизить температуру GPU в компьютере - это грамотный выбор кулеров. Любая игровая видеокарта оснащена кулерами от одного до трех штук. Чем больше вентиляторов, тем лучше будут охлаждаться радиаторы. Что касается офисных представителей, то производители размещают на платах в основном только радиаторы или один кулер.

Питание для GPU

Встроенные графические процессоры не нуждаются в дополнительном питании, однако дискретные представители требуют более мощного блока питания. Офисные видеокарты будут нормально функционировать и с блоком в 450 ватт. Для съемных графических ускорителей потребуется блок питания более 500 ватт. При грамотном его подборе можно полностью раскрыть потенциал видеокарты. Тем более что система охлаждения дискретной видеокарты будет лучше функционировать при достаточном количестве электроэнергии.

Питание играет немаловажную роль. Без процессора графического ускорения невозможно вывести изображение на экран. Чтобы увидеть, как отображается видеокарта в системе, достаточно зайти в панель управления и открыть вкладку "Видеоадаптеры". Если отображается надпись "Устройство не опознано", то необходимо установить драйвера для своего графического процессора. После установки драйверов модель карты будет корректно отображаться в системе.

Доброго всем времени суток, мои дорогие друзья и гости моего блога. Сегодня я бы хотел поговорить немного об аппаратной части наших компьютеров. Скажите пожалуйста, вы слышали про такое понятие как GPU? Оказывается просто многие впервые слышат такую аббревиатуру.

Как бы банально это не звучало, но сегодня мы живем в эру компьютерных технологий, и порой сложно найти человека, который понятия не имеет, как работает компьютер. Так, например, кому-то достаточно осознания, что компьютер работает благодаря центральному процессору (CPU).

Кто-то пойдет дальше и узнает, что есть ещё и некий GPU. Такая замысловатая аббревиатура, но похожая на предыдущую. Так давайте же разберемся, что такое GPU в компьютере, какие они бывают и какие различия есть у него с CPU.

Небольшая разница

Простыми словами, GPU - это графический процессор, иногда его именуют видеокартой, что отчасти является ошибкой. Видеокарта - это готовое компонентное устройство, в состав которого как раз и входит нами описываемый процессор. Он способен обрабатывать команды для формирования трёхмерной графики. Стоит отметить, что он является для этого ключевым элементом, от его мощности зависит быстродействие и различные возможности видеосистемы в целом.

Графический процессор имеет свои отличительные особенности по сравнению с его собратом CPU. Основное различие кроется в архитектуре, на которой он построен. Архитектура GPU построена таким образом, что позволяет обрабатывать большие массивы данных более эффективно. CPU, в свою очередь, обрабатывает данные и задачи последовательно. Естественно, не стоит воспринимать эту особенность как минус.

Виды графических процессоров

Существует не так много видов графических процессоров, один из них именуется, как дискретный, и применяется на отдельных модулях. Такой чип достаточно мощный, поэтому для него требуется система охлаждения из радиаторов, кулеров, в особо нагруженных системах может применяться жидкостное охлаждение.

Сегодня мы можем наблюдать значительный шаг в развитие графических компонентов, это обуславливается появлением большого количества видов GPU. Если раньше любой компьютер приходилось снабжать дискретной графикой, чтобы иметь доступ к играм или другим графическим приложениям, то сейчас такую задачу может выполнять IGP - интегрированный графический процессор.

Интегрированной графикой сейчас снабжают практически каждый компьютер (за исключением серверов), будь то, ноутбук или настольный компьютер. Сам видео-процессор встроен в CPU, что позволяет значительно снизить энергопотребление и саму цену устройства. Кроме того, такая графика может быть и в других подвидах, например: дискретная или гибридно-дискретная.

Первый вариант подразумевает наиболее дорогое решение, распайку на материнской плате или же отдельный мобильный модуль. Второй вариант называется гибридным неспроста, фактически он использует видеопамять небольшого размера, которая распаяна на плате, но при этом способен расширять её за счёт оперативной памяти.

Естественно, такие графические решения не могут поравняться с полноценными дискретными видеокартами, но уже сейчас показывает достаточно хорошие показатели. В любом случае, разработчикам есть куда стремиться, возможно за таким решением будущее.

Ну а на этом у меня, пожалуй, все. Надеюсь, что статья вам понравилась! Жду вас снова у себя на блоге в гостях. Удачи вам. Пока-пока!

Немецкого исследователя об использовании вычислений GPU в эконофизике и статистической физике, в том числе для осуществления анализа информации на фондовом рынке. Мы представляем вашему вниманию основные тезисы этого материала.

Примечание: Статья в журнале датирована 2011 годом, с тех пор появились новые модели GPU-устройств, однако общие подходы к использованию этого инструмента в инфраструктуре для онлайн-трейдинга остались неизменными

Требования к вычислительным мощностям растут в различных сферах. Одна из них - финансовый анализ, который необходим для успешной торговли на фондовом рынке, особенно средствами HFT. Для того, чтобы принять решение о покупке или продаже акций, алгоритм должен проанализировать серьезный объём входных данных - информация о транзакциях и их параметрах, текущих котировках и трендах изменения цены и т.д.

Время, которое пройдет от создания заявки на покупку или продажу до получения ответа о ее успешныом выполнеии от биржевого сервера называется раундтрипом (round-trip, RTT). Участники рынка всеми силами стремятся снизить это время, в частности для этого используются технологии прямого доступа на биржу, а серверы с торговым софтом располагаются на колокации рядом с торговым движком бирж.

Однако технологические возможности по сокращению раундтрипа ограничены, и после их исчерпания перед трейдерами встает вопрос о том, как еще можно ускорить торговые операции. Для этого применяются новые подходы к построению инфраструктуры для онлайн-трейдинга. В частности используются FPGA и GPU. Об ускорении HFT-трейдинга с помощью «программируемого железа» мы писали ранее, сегодня речь пойдет о том, как для этого можно применять графические процессоры.

Что такое GPU

Архитектура современных графических карт строится на основе масштабируемого массива потоковых мультипроцессоров. Один такой мультипроцессор содержит восемь скалярных процессорных ядер, многопоточный модуль инструкций, разделяемую память, расположенную на чипе (on-chip).

Когда программа на C, использующая расширения CUDA, вызывает ядро GPU, копии этого ядра или потоки, нумеруются и распределяются на доступные мультипроцессоры, где уже начинается их выполнение. Для такой нумерации и распределения сеть ядра подразделяется на блоки, каждый из которых делится на различные потоки. Потоки в таких блоках выполняются одновременно на доступных мультипроцессорах. Для управления большим количеством потоков используется модуль SIMT (single-instruction multiple-thread). Этот модуль группирует их в «пачки» по 32 потока. Такие группы исполняются на том же мультипроцессоре.

Анализ финансовых данных на GPU

В финансовом анализе применяется множество мер и показателей, расчет которых требует серьезных вычислительных мощностей. Ниже мы перечислим некоторые из них и сравним быстродействие при их обработке, показанное «обычным» процессоромо Intel Core 2 Quad CPU (Q6700) c тактовой частотой 2,66 ГГц и размером кэша 4096 килобайт, а также популярных графических карт.

Экспонента Херста

Мера, называемая экспонентной Херста, используется в анализе временных рядов. Эта величина уменьшается в том случае, если задержка между двумя одинаковыми парами значений во временном ряду увеличивается. Изначально это понятие применялось в гидрологии для определения размеров плотины на реке Нил в условиях непредсказуемых дождей и засух.

Впоследствии показатель Херста начали применять в экономике, в частности, в техническом анализе для предсказания трендов движения ценовых рядов. Ниже представлено сравнение быстродействия вычисления показателя Херста на CPU и GPU (показатель «ускорения» β = общее время выисления на CPU / общее время вычисления на GPU GeForce 8800 GT):

Модель Изинга и метод Монте-Карло

Еще одним инструментом, перекочевавшим в сферу финансов на этот раз из физики, является модель Изинга . Эта математическая модель статистической физики предназначена для описания намагничивания материала.

Каждой вершине кристаллической решётки (рассматриваются не только трёхмерные, но и одно- и двумерные вариации) сопоставляется число, называемое спином и равное +1 или −1 («поле вверх»/«поле вниз»). Каждому из 2^N возможных вариантов расположения спинов (где N - число атомов решётки) приписывается энергия, получающаяся из попарного взаимодействия спинов соседних атомов. Далее для заданной температуры рассматривается распределение Гиббса - рассматривается его поведение при большом числе атомов N.

В некоторых моделях (например, при размерности > 1) наблюдается фазовый переход второго рода. Температура, при которой исчезают магнитные свойства материала, называется критической (точка Кюри). В ее окрестности ряд термодинамических характеристик расходится.

Изначально модель Изинга использовалась для понимания природы ферромагнетизма, однако позднее получила и более широкое распространение. В частности, она применяется для обобщений в социально-экономических системах. Например, обобщение модели Изинга определяет взаимодействие участников финансового рынка. Каждый из них обладает стратегией поведения, рациональность которой может быть ограничена. Решения о том, продавать или покупать акции и по какой цене, зависят от предыдущих решений человека и их результата, а также от действий других участников рынка.

Модель Изинга используется для моделирования взаимодействия между участниками рынка. Для реализации модели Изинга и имитационного моделирования используется метод Монте-Карло, который позволяет построить математическую модель для проекта с неопределенными значениями параметров.

Ниже представлено сравнение быстродействия моделирования на CPU и GPU (NVIDIA GeForce GTX 280):

Существуют реализации модели Изинга с использованием в ходе анализа различного количества спинов. Мультиспиновые реализации позволяет загружать несколько спинов параллельно.

Ускорение с помощью нескольких GPU

Для ускорения обработки данных также используются кластеры GPU-устройств - в данном случае исследователи собрали кластер из двух карточек Tesla C1060 GPU, коммуникация между которыми осуществлялась через Double Data Rate InfiniBand.

В случае симуляции модели Изинга методом Монте-Карло результаты говорят о том, что производительность повышается практически линейно при добавлении большего количества GPU.

Заключение

Эксперименты показывают, что использование графических процессоров может приводить к существуенному повышению производительности финансового анализа. При этом выигрыш в скорости по сравнению с использованием архитектуры с CPU может достигать нескольких десятков раз. При этом добиться еще большего повышения производительности можно с помощью создания кластеров GPU - в таком случае она растет практически линейно.