揭秘智算中心的互聯(lián)技術(shù)決策

作者：張景濤

英偉達(dá)設(shè)計(jì)的DGX H100 NVL256超級(jí)計(jì)算集群，原本計(jì)劃集成256個(gè)NVIDIA H100 GPU，但最終其在商業(yè)市場(chǎng)上卻難覓其蹤。這一現(xiàn)象引發(fā)了業(yè)界對(duì)其開(kāi)發(fā)中止原因的廣泛討論。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，主要障礙在于成本收益不成正比。該系統(tǒng)在連接GPU時(shí)大量使用光纖，導(dǎo)致BOM成本激增，超出了標(biāo)準(zhǔn)NVL8配置的經(jīng)濟(jì)合理性范圍。

DGX H100 NVL256 SuperPOD

盡管英偉達(dá)聲稱(chēng)擴(kuò)展后的NVL256能夠?yàn)?00B MoE訓(xùn)練提供高達(dá)2倍的吞吐量。然而，大客戶(hù)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，對(duì)英偉達(dá)的這一聲明表示懷疑。盡管最新代的NDR InfiniBand即將達(dá)到400Gbit/s的速度，而NVLink4則達(dá)到450GB/s，理論上提供了約9倍的峰值帶寬速度提升。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了128個(gè)L1 NVSwitch和36個(gè)L2外部NVSwitch，形成了2:1的阻塞比，意味著每個(gè)服務(wù)器只能有一半的帶寬連接至另一服務(wù)器。英偉達(dá)依賴(lài)NVlink SHARP技術(shù)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)allToall帶寬的等效性。

H100 NVL256 成本分析

在Hot Chips 34會(huì)議上對(duì)H100 NVL256 BoM的分析表明，擴(kuò)展NVLink256使得每個(gè)超級(jí)單元（SU）的BoM成本增加了約30%。當(dāng)擴(kuò)展到超過(guò)2048個(gè)H100 GPU時(shí)，由于需要從兩層InfiniBand網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滢D(zhuǎn)變?yōu)槿龑拥木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，InfiniBand的成本百分比增加，這一比例略有降低。

圖2 NVL256成本分析

大客戶(hù)和超大規(guī)模計(jì)算公司對(duì)他們當(dāng)前的工作負(fù)載進(jìn)行了性能/總擁有成本（perf/TCO）分析，并得出結(jié)論：相比支付NVL256擴(kuò)展NVLink的成本，額外花費(fèi)30%購(gòu)買(mǎi)更多的HGX H100服務(wù)器能獲得更好的性能/成本比。這一分析結(jié)果導(dǎo)致英偉達(dá)最終決定不推出DGX H100 NVL256產(chǎn)品。

GH200 NVL32 重新設(shè)計(jì)

隨后，英偉達(dá)對(duì)NVL256進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將其縮減至NVL32，并采用了銅背板spine，這與他們NVL36/NVL72 Blackwell設(shè)計(jì)相似。據(jù)悉，AWS已同意為其Project Ceiba項(xiàng)目購(gòu)買(mǎi)16k GH200 NVL32。據(jù)估計(jì)，這種重新設(shè)計(jì)的NVL32的成本溢價(jià)將比標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)HGX H100 BoM高出10%。隨著工作負(fù)載的持續(xù)增長(zhǎng)，英偉達(dá)聲稱(chēng)對(duì)于GPT-3 175B和16k GH200，NVL32的速度將比16k H100快1.7倍，在500B LLM推理上快2倍。這些性能/成本比對(duì)客戶(hù)來(lái)說(shuō)更具吸引力，也使得更多客戶(hù)傾向于采用英偉達(dá)的這種新設(shè)計(jì)。

圖3 GH200 NVL32

GB200 NVL72的突破

關(guān)于GB200 NVL72的預(yù)期推出，英偉達(dá)據(jù)信已經(jīng)從H100 NVL256的失敗中吸取了教訓(xùn)，轉(zhuǎn)而采用銅纜互連，稱(chēng)為“NVLink spine”，以期解決成本問(wèn)題。這種設(shè)計(jì)變更預(yù)計(jì)將降低商品成本（COG cost of goods），并為GB200 NVL72鋪平成功之路。英偉達(dá)聲稱(chēng)，采用銅設(shè)計(jì)，NVL72的成本將節(jié)省約6倍，每個(gè)GB200 NVL72架可節(jié)省約20kW電力，每個(gè)GB200 NVL32架子節(jié)省約10kW。

與H100 NVL256不同，GB200 NVL72將不會(huì)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)使用任何NVLink switch，而是采用平坦軌道優(yōu)化（flat rail-optimized）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?duì)于每72個(gè)GB200 GPU，將有18個(gè)NVLink switch。由于所有連接都在同一機(jī)架內(nèi)，最遠(yuǎn)的連接只需跨越19U（0.83米），這在有源銅纜的范圍內(nèi)是可行的。

圖4 GB200 NVL72架構(gòu)

據(jù)Semianalysis報(bào)道，英偉達(dá)聲稱(chēng)其設(shè)計(jì)可以支持在單個(gè)NVLink域內(nèi)連接多達(dá)576個(gè)GB200 GPU。這可能通過(guò)增加額外的NVLink switch層來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)英偉達(dá)將保持2:1的阻塞比，即在GB NVL576 SU內(nèi)，將使用144個(gè)L1 NVLink switch加36個(gè)L2 NVLink switch。或者，他們也可能采取更積極的1:4阻塞比，僅使用18個(gè)L2 NVLink switch。他們將繼續(xù)使用光學(xué)OSFP收發(fā)器來(lái)擴(kuò)展從機(jī)架內(nèi)的L1 NVLink switch到L2 NVLink switch的連接。

圖5 GB200 NVL576架構(gòu)

有傳言稱(chēng)NVL36和NVL72已經(jīng)占NVIDIA Blackwell交付量的20%以上。然而，對(duì)于大客戶(hù)是否會(huì)選擇成本更高的NVL576，這仍然是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閿U(kuò)展到NVL576需要額外的光學(xué)器件成本。英偉達(dá)似乎已經(jīng)吸取了教訓(xùn)，認(rèn)識(shí)到銅纜的互聯(lián)成本遠(yuǎn)低于光纖器件。

專(zhuān)家觀點(diǎn)

其實(shí)對(duì)于到底該使用銅還是光，以及對(duì)NVL72的看法，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大神Doug O’Langhlin在其文章《The Data Center is the New Compute Unit:Nvidia's Vision for System-Level Scaling》也做了闡述：

銅纜互聯(lián)將在機(jī)架級(jí)取得統(tǒng)治地位，并且在用光之前要榨干銅的所有價(jià)值。

I conclude that Copper will reign supreme at the rack scale level and can push Moore’sLaw scaling further. AI networking aims to scale copper networking as hard as possible before we have to use Optics.

對(duì)于NVL72的前途，大神也相當(dāng)看好，認(rèn)為這是摩爾定律在機(jī)架級(jí)的體現(xiàn)：

It all starts with Moore’s Law. There is a profound beauty in semiconductors, as thesame problem that is happening at the chip scale is the same problem that is happening at the data center level. Moore’s Law is a fractal, and the principles that apply tonanometers apply to racks.

基于無(wú)源銅纜的nvlink域?qū)⑹且粋€(gè)新的成功基準(zhǔn)，并且具備更好的成本收益比。

The new Moore’s Law is about pushing the most compute into a rack. Also, looking at Nvidia’s networking moat as InfiniBand versus Ethernet is completely missing the entirepoint. I think the NVLink domain over passive copper is the new benchmark of success,and it will make a lot of sense to buy GB200 NV72 racks instead of just B200s.

業(yè)界視角

財(cái)通證券的研報(bào)《銅互聯(lián)，數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)重要解決方案》也給出了自己的看法。研報(bào)中指出：

短距通信場(chǎng)景銅互聯(lián)相對(duì)優(yōu)勢(shì)還是很明顯的，銅連接產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心高速互聯(lián)中一直扮演著重要角色。在數(shù)據(jù)中心能耗攀升，以及建設(shè)成本高企的背景下，銅互聯(lián)在散熱效率、低功耗、低成本方面有著一定優(yōu)勢(shì)。伴隨Serdes 速率逐步從56G、112G 向224G升級(jí)，單端口速率將基于8 通道達(dá)到1.6T，高速傳輸成本有望大幅下降，對(duì)應(yīng)銅纜速率也向著224Gbps 演進(jìn)。為解決高速銅纜的傳輸損耗問(wèn)題，AEC、ACC通過(guò)內(nèi)置信號(hào)增強(qiáng)芯片提升傳輸距離，銅纜模組生產(chǎn)工藝也在同步升級(jí)。

圖7 銅互聯(lián)在數(shù)據(jù)中心短距互聯(lián)中的重要角色

根據(jù)Light Counting，全球無(wú)源直連電纜DAC 和有源電纜AEC 的市場(chǎng)規(guī)模將分別以25%和45%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

圖8 銅纜高速?gòu)?fù)合增長(zhǎng)

2010 年至2022 年間，交換機(jī)芯片帶寬容量從640 Gbps 增長(zhǎng)到了51.2 Tbps，80倍的帶寬增長(zhǎng)帶來(lái)了22 倍的系統(tǒng)總功耗提升，其中光學(xué)元件功率（26 倍）的功耗提升尤為明顯。

圖9 光學(xué)器件功耗占比逐步提升

銅纜互聯(lián)由于不涉及光電轉(zhuǎn)化，因此具有低功耗特點(diǎn)，相比于有源光纜（AOC），目前的銅直接連接電纜（DAC）的功耗小于0.1 W，可以忽略不計(jì)，有源電纜（AEC）亦可將功耗控制在5w 以?xún)?nèi)，可在一定程度上降低算力集群整體功耗。

圖10 功耗對(duì)比

在銅纜可觸達(dá)的高速信號(hào)傳輸距離內(nèi)，相比光纖連接，銅連接方案的成本較低，此外，銅纜模組在短距離內(nèi)可以提供極低延遲的電信號(hào)傳輸并具有高可靠性，不會(huì)出現(xiàn)光纖在某些環(huán)境下可能出現(xiàn)的信號(hào)丟失或干擾風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，銅纜的物理特性使得它更易于處理和維護(hù)，并且其具有高兼容度并不需要額外的轉(zhuǎn)換設(shè)備。

圖11 成本對(duì)比