Tensor Processing Unit
# Tensor Processing Unit

Tensor Processing Units (TPUs), auch Tensor-Prozessoren, sind anwendungsspezifische Chips um Anwendungen im Rahmen von maschinellem Lernen zu beschleunigen. TPUs werden vor allem genutzt, um Daten in künstlichen neuronalen Netzen, vgl. Deep Learning, zu verarbeiten.

Die von Google entwickelten TPUs wurden speziell für die Softwaresammlung TensorFlow entworfen. TPUs sind die Basis für alle Google Services, welche maschinelles Lernen einsetzen, und wurden auch in den AlphaGo-Maschine-vs.-Mensch-Wettkämpfen mit einem der weltbesten Go-Spieler, Lee Sedol, zum Einsatz gebracht.

## Generationen der Tensor Processing Units

### Erste Generation

Die erste Generation von Googles TPU wurde auf der Google I/O 2016 vorgestellt und speziell entworfen, um die Anwendung eines bereits trainierten künstlichen neuronalen Netzwerks zu unterstützen bzw. zu beschleunigen. Dies wurde u. a. durch eine geringere Präzision im Vergleich zu normalen CPUs oder GPUs und einer Spezialisierung auf Matrizenoperationen erreicht.

Die TPU besteht aus einem systolischen Array mit einer 256×256-8-Bit-Matrizenmultiplikationseinheit (MMU), welche von einem Mikroprozessor mit einem CISC-Befehlsatz angesteuert wird. Der Chip wurde in einem 28-nm-Prozess gefertigt und taktet mit 700 MHz bei einer Thermal Design Power von 28 bis 40 W. Die TPU besitzt 28 MiB Arbeitsspeicher am Chip. Zudem sind 4-MiB-32-Bit-Akkumulatoren verbaut, welche die Ergebnisse der Matrizenmultiplikationseinheit übernehmen. Die TPU kann Matrizenmultiplikationen, Faltungen und Aktivierungsfunktionen, sowie Datentransfer zum Hostsystem über PCIe 3.0 oder zum DDR3 DRAM, welcher sich am Board befindet, ausführen.

### Zweite Generation

Die zweite Generation von Googles TPU (TPUv2) wurde auf der Google I/O 2017 vorgestellt. Diese soll nicht nur die Anwendung von neuronalen Netzwerken (Inferenz), sondern auch das Training dieser Netzwerke beschleunigen. Diese TPUs besitzen zwei „Matrizenausführungseinheiten“ (Matrix Execution Unit; MXU) mit je 8 GiB Arbeitsspeicher. Jede MXU weist eine Rechenleistung von 22,5 TFLOPS auf, wobei jedoch der bfloat16-Datentyp zum Einsatz kommt, welcher nicht IEEE 754 entspricht. Ein TPU-Board mit vier TPUs kommt somit auf 180 TFLOPS.

Die TPUs werden zu einem „Pod“ mit 11,5 PFLOPS zusammengeschaltet, einem Rechnerverbund (Cluster-Systemarchitektur) von 256 TPUs und 128 Server-CPUs. Die TPUs sind hierbei in einer sphärenförmigen (2D-Torus) Netzwerktopologie von je 8×8 TPUs zusammengeschaltet. Zur Verbindung der CPUs mit den TPUs kommt PCI-Express 3.0 mit 32 Lanes (8 Lanes je TPU) zum Einsatz.

Die TPUs der zweiten Generation sind in Form der Google Compute Engine, einem Cloud-Angebot von Google, nutzbar.

Um die Speicherbandbreite der Architektur zu erhöhen kommt HBM-Speicher zum Einsatz.

### Dritte Generation

Die dritte Generation von Googles TPU (TPU 3.0) wurde auf der Google I/O 2018 vorgestellt. Die TPUs besitzen 4 MXUs mit je 8 GiB Arbeitsspeicher (32 GiB je TPU). Die Netzwerktopologie der TPUs ist ebenfalls in Form eines 2D-Torus ausgelegt. Die Racks besitzen zudem eine Wasserkühlung, mit der die TPUs gekühlt werden. TPU 3.0-Pods bestehen aus 8 Racks mit insgesamt 1024 TPUs und 256 Server-CPUs. Die Rechenleistung eines Pod liegt bei knapp über 100 PFLOPS.

### Vierte Generation

Die vierte Generation von Googles TPU (TPU v4) wurde von Google im Dezember 2021 vorgestellt.

Mit den sogenannten SparseCores und Optical Circuit Switches (OCS) kann der TPU v4 interne Verbindungen dynamisch rekonfigurieren und skalieren. Das optische Netzwerk kann außerdem an die Struktur des berechneten KI-Modells angepasst werden. Die Sicherheit soll durch die Trennung der Racks auf Netzwerkebene erhöht werden. Der OCS ist verhältnismäßig günstig, da er unter fünf Prozent der Gesamtkosten der TPU ausmacht. Bei der Leistungsaufnahme schlägt das optische Netzwerk mit unter drei Prozent ebenfalls kaum zu Buche.

Die TPU v4 hat dank einer Umstellung auf eine 7-nm-Fertigung und einer Transistorzahl von 22 Milliarden eine mehr als doppelt so hohe Rechenleistung von 275 TFLOPS bei bfloat16 und int8. Trotzdem ist sie mit einer Größe von nur 600 mm² kleiner und verbraucht maximal 192 Watt, was im Vergleich zur TPU v3 eine Einsparung darstellt.

## Tabellarische Übersicht über einzelne TPU-Parameter

Tensor Processing Units :

| | TPU v1 | TPU v2 | TPU v3 | TPU v4 | Edge v1 |
| - | - | - | - | - | - |
| Einführungsdatum | 2016 | 2017 | 2018 | 2021 | 2018 |
| Technologieknoten | 28 nm | 16 nm | 16 nm | 7 nm | |
| Die-Größe $(mm^2)$ | 331 | < 625 | < 700 | < 400 | |
| On-Chip-Speicher (MiB) | 28 | 32 | 32 | 144 | |
| Taktgeschwindigkeit (MHz) | 700 | 700 | 940 | 1050 | |
| Speicher | 8 GiB DDR3 | 16 GiB HBM | 32 GiB HBM | 32 GiB HBM | |
| Speicherbandbreite | 34 GB/s | 600 GB/s | 900 GB/s | 1200 GB/s | |
| Thermal Design Power (W) | 75 | 280 | 220 | 170 | 2 |
| TFLOPS | 23 | 45 | 123 | 275 | 4 |
| TFLOPS/W | 0.31 | 0.16 | 0.56 | 1.62 | 2 |
