Deep Learning for Computer Architects

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出版者:Morgan & Claypool
作者:Brandon Reagen
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2017-8-22
价格:GBP 55.89
装帧:Hardcover
isbn号码:9781681732190
丛书系列:
图书标签:
  • TML
  • 深度学习
  • 计算机体系结构
  • 硬件加速
  • 神经网络
  • 计算架构
  • 性能优化
  • 新兴技术
  • AI硬件
  • 机器学习
  • 芯片设计
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具体描述

计算机体系结构中的新型计算范式:面向高性能与能效的融合设计 导言:摩尔定律的黄昏与计算需求的激增 在信息技术飞速发展的今天,我们正站在一个计算能力需求的爆炸性增长的临界点。从万物互联的物联网设备到支撑现代科学研究和金融建模的超级计算机,对更高吞吐量、更低延迟和更优能效比的渴望从未停歇。然而,自20世纪70年代以来驱动信息革命的基石——摩尔定律(Moore's Law)——的增长速度正在显著放缓。晶体管的尺寸逼近物理极限,功耗墙(Power Wall)和散热限制日益成为制约系统性能提升的瓶颈。 传统的冯·诺依曼架构,以其清晰的指令集和存储程序概念,在过去几十年中取得了巨大成功。但其固有的“存储墙”问题——处理器速度与内存访问速度之间的巨大鸿沟——在数据密集型应用中表现得尤为突出。当处理的数据量达到PB甚至EB级别,数据在处理器与存储器之间的往返移动所消耗的时间和能量,已经远远超过了实际计算本身所占用的资源。 面对这些严峻的挑战,计算机体系结构领域正经历一场深刻的范式转移。研究人员和工程师们不再仅仅满足于在现有架构上进行微小的改进,而是开始探索全新的计算模型、硬件组织方式以及与应用需求的深度耦合。本书旨在全面梳理和深入探讨这些新兴的、旨在突破传统瓶颈的体系结构创新,重点关注那些旨在重塑未来高性能计算(HPC)和数据中心基础设施的设计哲学与实现技术。 第一部分:超越冯·诺依曼:新兴计算模型的演进 本部分将系统地介绍那些试图从根本上解决冯·诺依曼瓶颈的新型计算模型,这些模型在设计之初就致力于减少数据搬运和提高并行性。 1. 内存计算(In-Memory Computing, IMC)与近数据处理(Processing-in-Memory, PIM) 内存作为系统中最昂贵和最耗能的组件之一,其访问延迟是性能的主要制约因素。内存计算(IMC)和近数据处理(PIM)代表了将计算逻辑尽可能地嵌入到存储介质内部的努力。 挑战与机遇: 如何在有限的存储单元(如SRAM、DRAM甚至新型非易失性存储器如ReRAM、MRAM)中集成执行单元?我们如何设计新的指令集和编程模型,以适应这种高度分散的计算能力? 模拟域计算: 重点探讨利用存储器本身的物理特性(如电荷积累、电阻变化)直接执行模拟域的矩阵运算。这对于加速张量代数、优化求解和特定机器学习推理任务具有巨大的潜力。本书将深入分析当前主流的交叉阵列乘积累加(Crosspoint Array MAC)结构的物理限制、非理想因素(如单元间串扰、阈值电压漂移)以及如何通过硬件补偿和软件算法进行矫正。 数字域PIM架构: 区别于纯模拟计算,数字域PIM则是在存储器堆叠层之间或单元阵列的边缘集成数字逻辑电路。我们将剖析如何平衡计算资源的密度与通用性,并探讨存储器控制器与计算引擎之间的协同设计,确保数据流的高效路由。 2. 异构计算的深化与专用化加速器 通用处理器(CPU)的灵活性是以牺牲特定任务的效率为代价的。在高性能计算领域,异构计算已成为主流,但未来的趋势是更加精细化和应用驱动的专用化。 领域特定架构(DSA)的再审视: 随着人工智能、基因测序、金融模拟等领域的复杂度提升,传统的通用加速器(如GPU)也开始面临新的瓶颈。本书将分析当前DSA的设计空间,从指令集扩展到数据流图的映射。我们关注那些为特定算法家族(如稀疏矩阵运算、图遍历、物理模拟)量身定制的硬件结构。 数据流架构(Dataflow Architectures): 传统的控制流架构需要在每次操作前解码指令并检查依赖关系。数据流架构则将控制逻辑内嵌于数据本身。我们将探讨基于标记(Token-based)或基于数据依赖图(Data Dependency Graph)的硬件实现,并分析它们在处理高度并行、动态数据流任务(如编译器优化、编译器后端)时的优势和挑战。 第二部分:面向大规模系统的互连与数据管理 无论计算单元如何设计,数据如何在芯片内、芯片间以及系统间高效流动,决定了系统的最终性能和能效。 3. 芯片间与片上高速互连技术 随着系统集成度的提高,片上网络(Network-on-Chip, NoC)和芯片间互连(Inter-Chip Interconnect)成为关键瓶颈。 下一代NoC设计: 传统的二维网格拓扑已难以应对高核数和高带宽需求。本书将研究三维集成(3D Integration)对NoC设计的影响,包括垂直跨层通信(TSV/RDL)的延迟和功耗模型。重点分析自适应路由算法、流控机制以及如何为不同优先级的数据流提供QoS保障的NoC结构。 光互连技术的集成: 电子互连(如铜线)的电阻和电容限制了其速度和距离。硅光子技术(Silicon Photonics)被视为打破这一限制的关键。我们将探讨光电转换单元(O/E/O Converters)的集成挑战、热效应管理,以及如何将光网络作为第三层互连来补充传统的电NoC,构建“光电混合互连架构”。 4. 存储体系结构的革命性变革 内存和存储层次结构正经历深刻的重塑,尤其关注新型持久性存储介质(Storage-Class Memory, SCM)的出现。 SCM的特性与挑战: 诸如相变存储器(PCM)、电阻式随机存取存储器(ReRAM)等SCM介质,提供了接近DRAM的速度、远超NAND Flash的耐久性以及字节寻址能力。然而,它们的读写时延不对称、耐久性有限、以及编程电压要求高,对现有的存储控制器和操作系统I/O栈构成了严峻的挑战。 新型存储语义与抽象: 如何在硬件和软件层面有效地利用SCM?本书将分析新的存储事务模型(如持久性事务)的设计,以及如何设计新的块管理和磨损均衡(Wear-Leveling)策略,以充分发挥SCM的潜力,同时规避其固有限制。 第三部分:软件、编程模型与能效优化 硬件的进步必须辅以相应的软件生态和系统级优化才能发挥作用。能效已不再是次要指标,而是与性能同等重要的设计约束。 5. 细粒度能效感知与管理 在移动设备和数据中心中,能效(Performance per Watt)是衡量系统成功与否的关键指标。系统需要具备感知和响应功耗边界的能力。 动态电压与频率调节(DVFS)的局限性与扩展: 传统的DVFS主要在处理器级别工作。本书将探讨如何在更细粒度上(如线程级、甚至指令级)进行功耗/性能的权衡,特别是在异构系统中,如何为不同工作负载动态分配能耗预算。 架构感知型编程模型: 传统的编程模型与底层硬件细节分离过多,导致程序员难以优化数据布局和访问模式以匹配特定的内存层次结构。我们将研究如何设计新的中间表示(IR)或语言扩展,使得编译器和运行时系统能够更好地理解数据在不同存储层之间的移动,并自动生成最优的能效代码。 结论:面向未来应用的融合架构 未来的高性能计算系统将不再是单一通用处理器或单一加速器的简单集合,而是一个高度集成、功能多样、并根据工作负载需求实时重构的“计算基础设施”。成功的体系结构设计必须是应用驱动、数据感知、且能效优先的。本书探讨的这些前沿技术,从内存计算的物理实现到光互连的系统集成,都指向一个共同的目标:打破传统墙壁,使我们能够持续推进信息处理能力的边界,满足未来智能世界的计算需求。这需要计算机体系结构、材料科学、编译器技术和应用科学的深度交叉融合。

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读后感

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用户评价

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在接触深度学习的过程中,我常常惊叹于算法的强大表现,但同时也对它背后所需的巨大计算资源感到困惑。《Deep Learning for Computer Architects》这本书的出现,恰恰填补了我认知上的空白。我期待它能够扮演一个“翻译官”的角色,将抽象的深度学习算法“翻译”成具体的硬件指令和计算流程。我非常想知道,当我们在训练一个复杂的深度学习模型时,那些复杂的数学运算是如何在CPU和GPU上被分解和执行的?本书是否会深入解析向量指令集(如AVX)、矩阵乘法单元(如Tensor Cores)的原理,以及它们是如何加速深度学习的计算的?我尤其关注书中是否会探讨如何设计更高效的内存系统来应对海量数据和模型参数的存储需求,比如新型的内存架构,或者是在芯片上集成更大容量的缓存。此外,随着深度学习模型向着更深的层次和更宽的网络发展,其对计算资源的消耗也在不断增加。我希望这本书能够深入分析这些趋势对计算机架构提出的挑战,并探讨未来计算机架构的演进方向,比如如何实现更大规模的并行计算,或者如何利用新型的计算范式来提升效率。我相信,这本书将为我揭示深度学习的“肌肉”是如何炼成的,让我对计算智能的未来拥有更清晰的认识。

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作为一名对计算机系统设计有着浓厚兴趣的工程师,我对《Deep Learning for Computer Architects》这本书的出现感到无比振奋。我一直在思考,当深度学习算法的复杂度呈指数级增长时,我们现有的计算机架构是否还能跟得上步伐?这本书的出现,恰恰触及了我心中一直存在的疑问。我非常希望它能深入剖析那些隐藏在算法层面的计算需求,并将其映射到具体的硬件设计考量上。例如,在处理大规模卷积神经网络(CNNs)时,其大量的矩阵乘法和卷积操作对内存带宽和计算单元的并行处理能力提出了极高的要求,这本书是否会详细解读这些计算模式如何影响GPU的设计,或者是如何推动ASIC(专用集成电路)在深度学习领域的普及?另外,随着模型规模的不断增大,例如Transformer模型及其变体,它们在Attention机制上的计算密集度是惊人的,这对于内存访问模式和计算单元的灵活性提出了新的挑战。我期待这本书能够深入探讨这些算法特性如何驱动着下一代计算机架构的演进,例如缓存层次的设计、互连网络的优化,甚至是新型计算范式的引入,如数据流计算或类脑计算。我相信,这本书不仅仅是关于如何利用现有架构来运行深度学习模型,更是关于如何根据深度学习的需求来重塑计算机架构的未来。我希望能在这本书中找到那些关于算法与硬件协同设计、相互促进的精彩论述,理解未来的计算平台将如何为深度学习的突破提供坚实的基础。

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一直以来,我对计算机底层的工作原理都保持着极大的好奇心,而当深度学习的浪潮席卷而来时,我更加渴望理解这种强大的智能是如何在现实的硬件中“孕育”出来的。《Deep Learning for Computer Architects》这个书名,仿佛是一把钥匙,预示着它将为我揭开这层神秘的面纱。我期待这本书能够带领我深入到芯片的内部,去了解那些支持着神经网络运行的微观世界。我想知道,CPU中的ALU(算术逻辑单元)和FPGA(现场可编程门阵列)在执行深度学习中的乘加运算时,分别有什么样的特点和优劣?本书是否会详细介绍GPU架构中流处理器(Streaming Multiprocessor)的工作机制,以及它们如何实现大规模并行计算?我尤其关注书中是否会讨论到专为AI设计的芯片,比如Google的TPU(Tensor Processing Unit),它们的架构是如何针对深度学习的计算特性进行优化的?此外,随着模型规模的不断增大,内存访问成为了一个重要的瓶颈,我希望这本书能够深入探讨内存带宽、缓存大小以及内存访问模式对深度学习性能的影响,并介绍一些缓解这些瓶颈的架构设计策略。我相信,通过这本书,我将能够更深刻地理解,深度学习的每一次飞跃,都离不开计算机架构的每一次革新。

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作为一个对计算机系统底层有着深刻探究欲望的学习者,我看到《Deep Learning for Computer Architects》这个书名时,内心便涌起一股强烈的求知欲。深度学习算法的复杂性和计算量之大,常常让我感到望而却步,而计算机架构的精妙之处,也同样引人入胜。我期待这本书能够将这两者有机地结合起来,为我展示一幅宏伟的计算图景。我尤其想知道,当我在训练一个庞大的深度神经网络时,那些海量的数据和参数是如何在内存中高效存储和传输的?CPU的通用指令集与GPU的并行处理能力,在执行深度学习的矩阵运算和张量计算时,各自的优势和劣势是什么?这本书是否会深入剖析各种内存技术(DRAM, SRAM, HBM)在深度学习中的应用,以及它们如何影响模型的训练速度和推理延迟?我更希望能在这本书中找到关于新型计算架构的讨论,例如那些专门为AI设计的ASIC芯片,或者是在功耗和性能之间寻求平衡的嵌入式AI处理器。我相信,通过这本书,我将能够更全面地理解,深度学习的快速发展是如何驱动着计算机架构的不断创新,以及未来的计算硬件将如何为AI的进一步突破奠定坚实的基础,让我在理解算法的同时,也能洞悉其背后的硬件支撑。

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从算法设计的角度来看,我总是在思考,如何才能让我的模型在实际部署时拥有更优异的性能。《Deep Learning for Computer Architects》这本书的名字,正是抓住了我的这一核心关切。我一直觉得,理解算法与硬件之间的互动关系,是优化模型性能的关键。我非常希望这本书能够深入地解析深度学习模型中的核心计算操作,例如矩阵乘法、卷积、池化等,并详细说明这些操作在不同的计算机架构中是如何被实现的。我想知道,CPU的流水线技术、缓存一致性协议,以及GPU的SIMD/SIMT执行模型,是如何影响这些计算的效率的?这本书是否会探讨一些更具前瞻性的架构设计,比如如何优化数据传输路径以减少内存瓶颈,如何设计更灵活的计算单元以适应不同类型的神经网络层,甚至是如何利用异构计算资源来最大化整体性能?我尤其关注书中是否会涉及一些关于模型压缩和量化对硬件架构的影响的讨论,以及如何设计相应的硬件来加速这些优化后的模型。我相信,这本书将为我提供一个全新的视角,让我能够从硬件层面去审视和优化我的深度学习算法,从而实现更高效、更强大的AI应用。

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我对任何能够连接抽象理论与具体实现的书籍都充满期待,而《Deep Learning for Computer Architects》这个书名,完美地契合了我的求知欲。我一直着迷于深度学习算法的强大能力,但同时也对它们在实际硬件上运行时的效率问题感到好奇。这本书,我希望它能够成为一本能够揭示“幕后故事”的指南。我非常想知道,当一个深度学习模型被部署到实际硬件上运行时,其计算过程究竟是怎样的?例如,一个卷积层是如何被分解成一系列的乘加运算,并如何在GPU的数千个核心上并行执行的?这本书是否会详细解释内存层次结构(缓存、主内存、显存)在深度学习数据流中的作用,以及如何通过优化数据访问模式来提升性能?我特别期待它能够探讨一些更具挑战性的问题,比如如何设计高效的通信机制来支持大规模分布式训练,如何在有限的功耗预算下实现高性能的AI推理,甚至是如何利用新型的计算范式(如类脑计算、光学计算)来突破现有架构的瓶颈。我相信,通过这本书,我将能够更深刻地理解,为什么一些看似相似的深度学习模型,在不同的硬件平台上会表现出截然不同的性能,以及未来的计算机架构将如何为更智能、更强大的AI应用提供更强大的算力支撑。

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这本书的名字实在太吸引人了,“深度学习与计算机架构”,光是听起来就感觉是一场智慧的盛宴。我一直对计算机底层是如何运作的充满了好奇,特别是当它与我最近痴迷的人工智能领域结合时,那种探索的冲动更是难以抑制。市面上关于深度学习的书籍很多,讲计算机架构的书也比比皆是,但能够将两者如此巧妙地融合在一起的,却实在凤毛麟角。我期待着这本书能够像一位经验丰富的向导,带领我穿越深度学习模型背后错综复杂的计算流程,揭示那些让神经网络得以飞速运转的硬件奥秘。我想知道,那些动辄需要数周甚至数月才能训练完成的庞大模型,在现代计算机架构的加持下,究竟是如何被高效处理的?从CPU到GPU,再到专门为AI设计的TPU,它们在深度学习的计算过程中扮演着怎样的角色?它们的并行计算能力、内存带宽、缓存设计,又是如何影响着模型的训练速度和推理效率的?我尤其好奇的是,这本书是否会深入探讨一些更前沿的架构设计,比如针对Transformer架构的优化,或者是一些新兴的内存计算(in-memory computing)技术,它们如何为未来的深度学习应用带来颠覆性的改变?我希望能在这本书中找到那些关于硬件与算法协同进化的深刻洞见,理解为什么某些架构在特定类型的深度学习任务上表现得尤为出色。总而言之,我满怀期待,希望这本书能为我打开一扇通往计算智能新世界的大门,让我不仅能理解深度学习“是什么”,更能理解它“如何”实现。

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我一直认为,要真正掌握一项技术,就必须深入理解其底层支撑。对于深度学习而言,算法固然是核心,但没有强大的计算硬件作为支撑,再精妙的算法也只能是纸上谈兵。《Deep Learning for Computer Architects》这个书名,精准地击中了我的痛点。我曾花费大量时间研究深度学习的各个模型,理解它们的原理和应用,但对于模型训练和推理的实际计算过程,我总觉得缺少了一层清晰的认知。这本书,我期望它能成为连接算法与硬件之间的桥梁。我非常好奇,当我们在训练一个大型深度学习模型时,那些庞大的权重矩阵如何在内存中存储和访问?CPU的通用性计算能力与GPU的并行计算能力在深度学习的运算中,究竟能发挥出怎样不同的作用?这本书是否会详细分析不同类型计算单元(如向量单元、矩阵单元)在执行深度学习特定运算(如矩阵乘法、卷积)时的效率差异?我更希望它能深入探讨一些更具前瞻性的内容,比如如何设计更高效的内存子系统来应对深度学习数据的高吞吐量需求,如何优化片上网络(NoC)来加速模型在分布式硬件上的并行计算,甚至是如何利用类脑计算的硬件架构来模拟生物神经网络的计算方式。我相信,通过这本书,我将能更深刻地理解,为什么某些深度学习的突破往往伴随着计算硬件的革新,以及未来的计算机架构将如何为更复杂、更强大的深度学习模型铺平道路。

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作为一名长期关注计算技术发展的从业者,我一直对“软硬结合”的发展模式抱有极大的热情,尤其是当这种结合能够带来颠覆性的性能提升时。《Deep Learning for Computer Architects》这本书的名字,正是这句话的绝佳注脚。我希望这本书能够深入浅出地解读深度学习算法的计算特性,并将其与现代计算机架构的实现细节紧密联系起来。我想知道,例如,在执行大规模的矩阵乘法操作时,CPU和GPU分别是如何处理的,它们在缓存管理、指令流水线、并行执行等方面存在哪些差异,以及这些差异如何影响深度学习的训练和推理性能?我特别期待这本书能够探讨一些更具体的硬件优化策略,比如如何通过调整缓存大小和预取策略来减少内存访问延迟,如何利用更先进的指令集来加速深度学习中的常用计算,甚至是如何设计专门的硬件加速器来处理特定的神经网络层(如卷积层、注意力层)。此外,随着模型规模的不断扩大,例如大规模语言模型(LLMs)的出现,其对内存容量和计算能力提出了前所未有的挑战。我希望这本书能够深入分析这些新兴模型对计算架构提出的新要求,并探讨未来计算机架构如何应对这些挑战,例如通过分解模型、使用更高效的通信协议,甚至引入新型内存技术。我相信,这本书将为我提供一个更宏观的视角,让我理解深度学习的蓬勃发展是如何驱动着计算机架构的持续创新。

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作为一名对计算效率有着极致追求的工程师,我总是在寻找能够突破现有瓶颈的方法。《Deep Learning for Computer Architects》这本书的名字,正是直击了我内心深处的渴望。我一直深信,理解算法的本质,并将其与高效的硬件实现相结合,是实现计算性能飞跃的关键。我非常希望这本书能够详细阐述深度学习算法中的计算密集型操作,并将其与现代计算机架构的特性进行一一对应。例如,我想知道,当一个大规模的深度神经网络被部署到服务器集群中进行分布式训练时,CPU、GPU、以及高速互连网络(如InfiniBand)是如何协同工作的?本书是否会深入分析内存延迟、内存带宽、以及片上通信对模型训练速度的影响?我特别期待书中能够探讨一些关于如何设计更节能、更高效的AI推理芯片的策略,例如在边缘设备上部署深度学习模型时,如何平衡性能和功耗?此外,随着AI应用的日益广泛,模型的可解释性和鲁棒性也越来越受到重视,我希望这本书能够触及到一些关于如何通过架构设计来支持这些新型AI特性的讨论。我相信,这本书将为我提供一个全新的维度,让我能够从硬件的角度去审视和优化深度学习的部署,从而实现更智能、更高效的计算解决方案。

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