NPU、CPU、GPU算力及算力计算方式

NVIDIA在9月20日发布的NVIDIA DRIVE Thor 新一代集中式车载计算平台，可在单个安全、可靠的系统上运行高级驾驶员辅助应用和车载信息娱乐应用。提供 2000 万亿次浮点运算性能（2000 万亿次8位浮点运算）。NVIDIA当代产品是Orin，算力是256 TOPS。再后面是已发布的Altan，算力是1000TFLOPS，这次的Thor算力是2000 TOPS强大的着实让人震惊（但是芯片2025才出来，是时间好像有些远的PPT产品）。

产生一个疑问，这个算力是什么算力？如何计算/标定？

先看三个名词解释：

TFLOPS（teraFLOPS）等于每秒一万亿（=10^12）次的浮点运算。FLOPS（Floating-point operations per second的缩写），即每秒浮点运算次数。
TOPS（Tera Operations Per Second的缩写），1TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次（10^12）操作。
DMIPS：Dhrystone Million Instructions executed Per Second，每秒执行百万条指令，用来计算同一秒内系统的处理能力，即每秒执行了多少百万条指令。

鉴于NVIDIA的Thor还是个PPT，还没有确切产品资料情况下，我们先看下现有芯片的此种算力。特斯拉FSD（自动驾驶的芯片/区别于智能座舱SOC）。

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NPU算力

NPU算力。TOPS仅指处理器每秒万亿次操作，需要结合具体数据类型精度才可以于FLOPS转换。8位精度下的MAC(乘积累加运算，MAC/ Multiply Accumulate)数量在FP16（半浮点数/16位浮点数）精度下等于减少了一半。 PS：NVIDIA、Intel和Arm携手合作，共同撰写FP8 Formats for Deep Learning白皮书。目前业界已由32位元降至16位元，如今甚至已转向8位元（FP8精度: 8 位元浮点运算规格），这也是NVIDIA使用FP8来表征算力的原因。NVIDIA上面Thor 2000TOPS也说的是这个东东。

在NPU中，芯片都用MAC阵列(乘积累加运算，MAC/ Multiply Accumulate)作为NPU给神经网络加速，许多运算（如卷积运算、点积运算、矩阵运算、数字滤波器运算、乃至多项式的求值运算）都可以分解为数个MAC指令，因此可以提高上述运算的效率。MAC矩阵是AI芯片的核心，是很成熟的架构。英伟达也在示例中使用3维的立方体计算单元完成矩阵乘加运算。TOPS是MAC在1秒内操作的数，计算公式为：

TOPS = MAC矩阵行 * MAC矩阵列 * 2 * 主频；

PS：公式中的 2 可理解为一个MACC（乘加运算）为一次乘法和一次加法为2次运算操作。下面以特斯拉自动驾驶FSD芯片为例。

特斯拉资料中，该芯片的目标是自主4级和5级。FSD芯片采用三星（德克萨斯州奥斯汀的工厂）的14纳米工艺技术制造，集成了3个四核Cortex-A72集群，共有12个CPU，工作频率为2.2GHz，1个(ARM的)Mali G71 MP12 GPU，2个NPU工作频率为2GHz，还有其他各种硬件加速器。FSD最多支持128位LPDDR4-4266内存。

上图右侧第三行清楚的描述到：“ 96*96 MACs（单核）（36.8 TOPS/NNA）”，我们根据最上面计算公式：

TOPS = MAC矩阵行 * MAC矩阵列 * 2 * 主频 = 96 * 96 * 2 * 2G = 36.864 TOPS（单核）

上面结果和如上图片中算力数字匹配，是NPU单核算力。特斯拉FSD（Full Self-Driving） IC 中有2个NPU：每个周期，从SRAM读取256byte字节的激活数据和另外128byte的权重数据到MAC阵列中。每个NPU拥有96x96 MAC，另外在精度方面，乘法为8x8bit，加法为32bit，两种数据类型的选择很大程度上取决于他们降功耗的努力(例如32bitFP加法器的功耗大约是32bit整数加法器的9倍)。如上图，在2GHz的工作频率下，每个NPU的算力为36.86TOPS，FSD芯片峰值算力为73.7TOPS（两个单核NPU算力的累加）。

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CPU的算力（ARM内核）

移远通信推出SA8155P平台的SIP模块AG855G，移远官网介绍中描述“AG855G的 AI 综合算力能够达到 8 TOPS”。那CPU算力呢？

高通官网及产品摘要中没有找到对其产品CPU算力的直接数字描述，但是在移远通信描述SA8155P “八核 64 位处理器，1+3+4三丛集架构，算力高达100K DMIPS”（有其他新闻媒体描述其算力为 95 KDMIPS）。加之之前找到的SA8155P 数据如下：

高通2019年发布的智能座舱芯片SA8155P，7nm工艺。CPU架构是Kryo 435（高通自己的命名）8个64位核心，3个丛集（Gold代表大核心，Silver代表小核心）

第1丛集：1×Kryo 435 [email protected]

第2丛集：3×Kryo 435 [email protected]

第3丛集：4×Kryo 435 [email protected]

PS：前两个丛集是基于ARM Cortex-A76架构定制的，第三个丛集是Cortex-A55核心定制。

Graphics： Adreno 640 700MHz

Memory：4x16，2092.8MHz，LPDDR4X with ECC

NPU：NPU130 with ECC 908 MHz

Compute DSP：Q6 V66G (4 threads/2 clusters, 1024KB L2, 4x HVX) with ECC 1.4592 GHz

……

算力数据描述：

GPU计算性能：1.1 TFLOPS

AI（NPU）算力：8 TOPS（每秒运算8万亿次）

CPU算力：100K DMIPS （也有说95K DMIPS的）

这个CPU算力是怎么来的，如下正题：CPU算力计算方式描述（DMIPS：主要测整数计算能力）

以ARM核为主查询，ARM官网中描述，在“The Cortex-M3 RTL is delivered to licensees together with an "example" system testbench for simulation of a simple Cortex-M3 system, and a number of test programs including a Dhrystone test called "dhry". ”描述了DMIPS/MHz的计算方式：

DMIPS/MHz = 10^6 / (1757 * Number of processor clock cycles per Dhrystone loop)

ARM官网中有Cortex-M3和M4的数据（如下截图）

ARM官网网页资料截图

我们可以计算Cortex-M3在Wait-states 0中的DMIPS/MHz是：

DMIPS/MHz = 10^6 / (1757 * 460.2)= 1.2367 ≈ 1.24 DMIPS/MHz

上面计算结果和图片数据对应。在ARM官网未查到有Cortex-A76的DMIPS/MHz数值描述，但查询到在发布Cortex-A76时，ARM首席架构师Filippo强调Cortex-A76架构较上一代（A75）性能至少提升35%，在一些数学运行任务上，新架构处理器可以有 50%—70% 的提升。

网上资料基本都是到Cortex-A75就完了，查询到如下架构的DMIPS/MHz如下：

Arm Cortex-A75 5.2 DMIPS/MHz

Arm Cortex-A73 4.8 DMIPS/MHz

Arm Cortex-A72 4.7 DMIPS/MHz

Arm Cortex-A57 4.1 DMIPS/MHz

Arm Cortex-A55 2.7 DMIPS/MHz

Arm Cortex-A53 2.3 DMIPS/MHz

虽然高通官网及产品摘要中没有找到对其产品CPU算力的直接数字描述，但是结合如上各网络资料，我们视图计算下高通这个SA8155P的真实CPU算力。

SA8155P的CPU算力计算如下（按照A75性能提升50%来计算，即 5.2 * 1.5 = 7.8 DMIPS/MHz ）

SA8155P算力 = 2.419GHz * 1核 * 7.8 DMIPS/MHz + 2.131GHz * 3核 * 7.8 DMIPS/MHz + 1.785GHz * 4核 * 2.7 DMIPS/MHz = 18868.2 + 49865.4 + 19278 = 88011.6 DMIPS ≈ 88 KDMIPS

此数值和移远通信公布的100 KDMIPS算力有约12%的误差，但这其实是用ARM的方法计算了下三星的处理器。三星将ARM Cortex-A76内核优化后叫Kryo内核，还有硬件加速器等，猜想是三星对A76的性能优化已超50%性能提升，已到达ARM架构师Filippo（上面说的）所描述的50%-70%性能提升的中位数。另外，存储器读写速度、硬件加速引擎等也都可能直接影响CPU算力表现。

当然，也有可能是如上某些数据、信息或计算还不确切。大家有资料或深入研究的也请指出。

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GPU算力

…………..后面再写了，下面把NVIDIA的Thor发布的芯片构成信息整理：

在自动驾驶领域，提高驾驶安全性，传感器在数量和分辨率上都面临同步增长。同时也引入了更复杂的AI模型（NVIDIA大致每2年的产品都会有一个质的提升）。安全性是机器人开发的首要准则，要求传感器和算法具备多样性和冗余性。这些都需要更高的数据处理能力。

NVIDIA为实现这个应用了Grace、Hopper和Ada Lovelace。

1. Hopper有令人惊叹的Transformer引擎以及Vision Transformer的快速变革。

2. 在Ada中多实例GPU的发明有助于车载计算资源的集中化，同时也降低了成本。

3. Grace是NVIDIA数据中心处理器。通常所有的并行处理算法都是由GPU卸载和加速的，因此其余的工作负载往往收到单线程的限制，而Grace正好拥有出色的单线程性能。

Thor内部Arm Poseidon AE内核（汽车增强版本）。Thor支持通过NVLink-C2C芯片互联技术连接两个芯片运行单个操作系统(现有很多兴能源汽车厂家将2~4颗Orin处理器集合起来应用来满足算力需求)。

Thor可以配置为多种模式，Thor可以将其 2000 TOPS和 2000 TFLOPs全部用于自动驾驶工作流中，也可以将其配置为一部分用于驾驶舱AI和信息娱乐，一部分用于辅助驾驶。Thor有多计算域隔离，允许并发、对时间敏感的多进程无中断运行。可以在一台计算机上同时运行Linux、QNX和Android。Thor集中了众多计算资源，不仅降低了成本和功耗，同时功能也实现了质的飞跃。

NVIDIA Thor PCBA板卡

提前3年发布，也真是难为NVIDIA了，给一众跟随的 IC 厂商指明了前进的方向。