软硬件融合技术内幕 基础篇 (14) —— 古墓丽影与挖矿 (上)

在上期《软硬件融合技术内幕 基础篇 (13) —— 温度墙是什么？》里面，我们了解到了，CPU及计算机中其他部件的频率，是由数字锁相环决定的，并且计算机系统可以基于温度来控制各产品的工作频率。在最坏的情况下，系统会强行切断所有部件的供电，直到系统温度恢复后，供电才能恢复正常。

在文章的最后，我们还提到了一个问题：

社会上有一部分人，批量采购GPU，用于一些非法的金融活动（俗称“挖矿”）。由于成本考量，这些GPU有可能在非标准的机房工作，散热条件较为恶劣，导致工作温度长期偏高。因此，有人认为，这类GPU在恶劣条件下有可能受损导致工作不稳定。实际上，由于GPU也具有类似CPU的温度保护机制，在高温下GPU会被强制下电，大家是不需要担心所谓的“矿卡”会损坏的。

这也引出了这几期的话题——所谓的“挖矿”到底是在干什么呢？

先说答案：实际上，所谓的“挖矿”，就是利用GPU找一个方程的解：

SHA256 (String) = 0

其中，SHA256是一种摘要算法，又称为Hash算法。String是变量。由于摘要算法是不可逆的，想求出满足这个方程的解，只能通过穷举法。为了提升运算效率，一些人想到，利用GPU运算来解这个方程。

为什么GPU可以用于解这个方程呢？

让我们先回到开篇的小霸王学习机——

上图是游戏《沙罗曼蛇》的画面，玩家操纵的战机发射子弹，与试图置玩家于死地的敌人对抗。《沙罗曼蛇》是一款对玩家反应能力要求极高的游戏，玩家的战机和敌人的行动速度都非常快，也需要实时的响应。

在小霸王学习机中，为了实时处理这一类快速变换的画面，引入了另一颗处理器，作为CPU的协处理器，来处理精灵(Sprite)和背景(Background)的绘制，它被称为PPU。

小霸王学习机中，所有呈现的画面，都是由PPU绘制的，CPU只是给PPU绘制画面的指令。如《沙罗曼蛇》中，玩家在按下B键，让战机发射子弹时，CPU会向PPU发出一条指令，让PPU绘制一个精灵，其图形为子弹，从左向右移动。由于PPU的处理能力也非常低下，PPU有一些规格限制，也决定了小霸王学习机上的一些游戏画面。

如这个图：

图中一组敌人的个数为5，这是因为，小霸王学习机的PPU只能支持在同一个水平线上呈现8个精灵。5个敌人占用了5个名额，如果战机，2发子弹和5个敌人在同一条线上，就会占满8个名额。

这是一个典型的硬件限制约束游戏设定的例子。

流光一瞬，华表千年。

20世纪末，随着NVidia Geforce 256的推出，GPU也成为了一个新名词，但其实质依然是接受来自CPU的指令，在显存中绘制数字化的图形 (术语曰：bitmap).

《古墓丽影》是这个时期流行的游戏之一。游戏的女主角劳拉的人物设定是一名女考古学家，需要在古墓中保卫自己并取得胜利。

由于当时的硬件限制，劳拉的形象只能绘制成这样，勉强能看得出是人。

为什么劳拉会被绘制成这个样子呢？

原来，为了让计算机中数字化的模型，尽量逼近真实的人体，程序员们在对人物建模的时候，会把人物的形状用多个三角形来模拟，而皮肤、衣着等利用所谓的材质贴图来实现。因此，游戏中每一帧画面，实际上都是CPU向GPU发出绘制三角形指令，以及材质贴图指令实现的。

1999年的NVidia Geforce 256 GPU，虽然其性能已经能够碾压3dfx Voodoo3和S3 Savage2 等竞争产品，但其每秒钟只能绘制1500万三角形和4.8亿的像素贴图，因此，劳拉就有了上图中的样子。

天波易谢，光景西驰。

当时代的车轮转动到中国特色社会主义新时代，英伟达最新的RTX3080TI也登上了历史舞台。它具备10240个CUDA核心，三角形绘制能力和贴图能力比20年前的GPU高出了若干个数量级。

所以，我们可以看到宛如真人的游戏形象：

不要光顾着玩游戏了！敲黑板！

我们发现，无论是小霸王学习机，还是桌面PC和服务器，GPU的作用，都是作为CPU的协处理器，CPU给GPU发放带有重复性的并行工作(绘制游戏上的飞机、绘制劳拉、算SHA256等)，GPU去完成这些指令并向CPU返回。

由于GPU内部有大量的并行计算单元，它被认为适合重复的并行运算，如AI训练等任务。

请看下期详解。