GPU 进阶笔记（一）：高性能 GPU 服务器硬件拓扑与集群组网（2023）
2023-9-16 08:0:0 Author: arthurchiao.github.io(查看原文) 阅读量:55 收藏

Published at 2023-09-16 | Last Update 2023-09-16

记录一些平时接触到的 GPU 知识。由于是笔记而非教程，因此内容不会追求连贯，有基础的同学可作查漏补缺之用。

水平有限，文中不免有错误之处，请酌情参考。

大模型训练一般都是用单机 8 卡 GPU 主机组成集群，机型包括 8*{A100,A800,H100,H800} 可能还会用最近即将上市的 {4,8}*L40S 等。 下面一台典型 8*A100 GPU 的主机内硬件拓扑：

典型 8 卡 A100 主机硬件拓扑

本节将基于这张图来介绍一些概念和术语，有基础的可直接跳过。

1.1 PCIe 交换芯片

CPU、内存、存储（NVME）、GPU、网卡等支持 PICe 的设备，都可以连接到 PCIe 总线或专门的 PCIe 交换芯片，实现互联互通。

PCIe 目前有 5 代产品，最新的是 Gen5。

定义

Wikipedia 上 NVLink 上的定义：

NVLink is a wire-based serial multi-lane near-range communications link developed by Nvidia. Unlike PCI Express, a device can consist of multiple NVLinks, and devices use mesh networking to communicate instead of a central hub. The protocol was first announced in March 2014 and uses a proprietary high-speed signaling interconnect (NVHS).

简单总结：同主机内不同 GPU 之间的一种高速互联方式，

  1. 是一种短距离、串行通信链路，更高性能，替代 PCIe，
  2. 支持多 lane，link 带宽随 lane 数量线性增长，
  3. 同一台 node 内的 GPU 通过 NVLink 以 full-mesh 方式（类似 spine-leaf）互联，
  4. NVIDIA 专利技术。

演进：1/2/3/4 代

主要区别是单条 NVLink 链路的 lane 数量、每个 lane 的带宽（图中给的都是双向带宽）等：

NVLink 演进。Image from: HotChips 2022 [1]

例如，

  • A100 是 12 lane * 50GB/s/lane = 600GB/s 双向带宽（单向 300GB/s）
  • A800 被阉割了 4 条 lane，所以是 8 lane * 50GB/s/lane = 400GB/s 双向带宽（单向 200GB/s）

监控

基于 DCGM 可以采集到实时 NVLink 带宽：

Metrics from dcgm-exporter [5]

1.3 NVSwitch

还是参考下图，

典型 8 卡 A100 主机硬件拓扑

NVSwitch 是 NVIDIA 的一款交换芯片，封装在 GPU module 上，并不是主机外的独立交换机。

下面是真机图，浪潮的机器，图中 8 个盒子就是 8 片 A100，右边的 6 块超厚散热片下面就是 NVSwitch 芯片：

Inspur NF5488A5 NVIDIA HGX A100 8 GPU Assembly Side View. Image source: [2]

NVSwitch 听名字像是交换机，但实际上是 GPU module 上的交换芯片，用来连接同一台主机内的 GPU。

2022 年，NVIDIA 把这块芯片拿出来真的做成了交换机，叫 NVLink Switch [3]， 用来跨主机连接 GPU 设备。

这俩名字很容易让人混淆。

1.5 HBM (High Bandwidth Memory)

由来

传统的 GPU 显存和普通内存一样（DDR）通过 PCIe 连接，但是 PCIe Gen4 的带宽只有 64GB/s，Gen5 128GB/s，对 AI 训练来说是瓶颈。

因此，一些 GPU 厂商（不是只有 NVIDIA 一家这么做）将一种高带宽的存储芯片直接和 GPU 芯片封装到一起 （后文讲到 H100 时有图），这样每片 GPU 和它自己的显存交互时，就不用再去 PCIe 交换芯片绕一圈，速度最高可以提升一个量级。 这种“高带宽内存”（High Bandwidth Memory）缩写就是 HBM。

演进：HBM 1/2/2e/3/3e

From wikipedia HBM，

  Bandwidth Year GPU
HBM 128GB/s/package    
HBM2 256GB/s/package 2016 V100
HBM2e ~450GB/s 2018 A100, ~2TB/s,
HBM3 600GB/s/site 2020 H100, 3.35TB/s
HBM3e ~1TB/s 2023  

使用了 HBM 的近几代高端 NVIDIA GPU 显存带宽（双向），纵坐标是 TB/s。Image source: [3]

1.6 带宽单位

大规模 GPU 训练的性能与数据传输速度有直接关系。这里面涉及到很多链路，比如 PCIe 带宽、内存带宽、NVLink 带宽、HBM 带宽、网络带宽等等。

  • 网络习惯用 bits/second (b/s) 表示之外，并且一般说的都是单向（TX/RX）；
  • 其他模块带宽基本用 byte/sedond (B/s) 或 transactions/second (T/s) 表示，并且一般都是双向总带宽。

比较带宽时注意区分和转换。

2.1 主机内拓扑：2-2-4-6-8-8

  • 2 片 CPU（及两边的内存，NUMA）
  • 2 张存储网卡（访问分布式存储，带内管理等）
  • 4 个 PCIe Gen4 Switch 芯片
  • 6 个 NVSwitch 芯片
  • 8 个 GPU
  • 8 个 GPU 专属网卡

典型 8 卡 A100 主机硬件拓扑

下面这个图画的更专业，需要更多细节的可参考：

NVIDIA DGX A100 主机（官方 8 卡机器）硬件拓扑。Image source: [4]

存储网卡

通过 PCIe 直连 CPU。用途：

  1. 从分布式存储读写数据，例如读训练数据、写 checkpoint 等；
  2. 正常的 node 管理，ssh，监控采集等等。

官方推荐用 BF3 DPU。但其实只要带宽达标，用什么都行。组网经济点的话用 RoCE，追求最好的性能用 IB。

NVSwitch fabric：intra-node full-mesh

8 个 GPU 通过 6 个 NVSwitch 芯片 full-mesh 连接，这个 full-mesh 也叫 NVSwitch fabric； full-mesh 里面的每根线的带宽是 n * bw-per-nvlink-lane，

  • A100 用的 NVLink3，50GB/s/lane，所以 full-mesh 里的每条线就是 12*50GB/s=600GB/s，注意这个是双向带宽，单向只有 300GB/s。
  • A800 是阉割版，12 lane 变成 8 lane，所以每条线 8*50GB/s=400GB/s，单向 200GB/s。

用 nvidia-smi topo 查看拓扑

下面是一台 8*A800 机器上 nvidia-smi 显示的实际拓扑（网卡两两做了 bond，NIC 0~3 都是 bond）：

  • GPU 之间（左上角区域）：都是 NV8，表示 8 条 NVLink 连接；

  • NIC 之间：

    • 在同一片 CPU 上：NODE，表示不需要跨 NUMA，但需要跨 PCIe 交换芯片；
    • 不在同一片 CPU 上：SYS，表示需要跨 NUMA；

  • GPU 和 NIC 之间：

    • 在同一片 CPU 上，且在同一个 PCIe Switch 芯片下面：NODE，表示只需要跨 PCIe 交换芯片；
    • 在同一片 CPU 上，且不在同一个 PCIe Switch 芯片下面：NODE，表示需要跨 PCIe 交换芯片和 PCIe Host Bridge；
    • 不在同一片 CPU 上：SYS，表示需要跨 NUMA、PCIe 交换芯片，距离最远；

1.2 GPU 训练集群组网：IDC GPU fabirc

GPU node 互联架构：

计算网络

GPU 网卡直连到置顶交换机（leaf），leaf 通过 full-mesh 连接到 spine，形成跨主机 GPU 计算网络。

  • 这个网络的目的是 GPU 与其他 node 的 GPU 交换数据；
  • 每个 GPU 和自己的网卡之间通过 PCIe 交换芯片连接：GPU <--> PCIe Switch <--> NIC。

存储网络

直连 CPU 的两张网卡，连接到另一张网络里，主要作用是读写数据，以及 SSH 管理等等。

RoCE vs. InfiniBand

不管是计算网络还是存储网络，都需要 RDMA 才能实现 AI 所需的高性能。RDMA 目前有两种选择：

  • RoCEv2：公有云卖的 8 卡 GPU 主机基本都是这种网络，比如 CX6 8*100Gbps 配置；在性能达标的前提下，（相对）便宜；
  • InfiniBand (IB)：同等网卡带宽下，性能比 RoCEv2 好 20% 以上，但是价格贵一倍。

1.3 数据链路带宽瓶颈分析

单机 8 卡 A100 GPU 主机带宽瓶颈分析

几个关键链路带宽都标在图上了，

  1. 同主机 GPU 之间：走 NVLink，双向 600GB/s，单向 300GB/s；
  2. 同主机 GPU 和自己的网卡之间：走 PICe Gen4 Switch 芯片，双向 64GB/s，单向 32GB/s；
  3. 跨主机 GPU 之间：需要通过网卡收发数据，这个就看网卡带宽了，目前国内 A100/A800 机型配套的主流带宽是（单向） 100Gbps=12.5GB/s。

所以跨机通信相比主机内通信性能要下降很多。

GPU Board Form Factor 分为两种类型：

  • PCIe Gen5
  • SXM5：性能更高一些

3.1 H100 芯片 layout

下面是一片 H100 GPU 芯片的内部结构：

单片 H100 GPU 内部逻辑布局。Image source: [3]

  • 4nm 工艺；
  • 最下面一排是 18 根 Gen4 NVLink；双向总带宽 18 lanes * 25GB/s/lane = 900GB/s；
  • 中间蓝色的是 L2 cache；
  • 左右两侧是 HBM 芯片，即显存；

3.2 主机内硬件拓扑

跟 A100 8 卡机结构大致类似，区别：

  1. NVSwitch 芯片从 6 个减少到了 4 个；真机图如下，

  2. 与 CPU 的互联从 PCIe Gen4 x16 升级到 PCIe Gen5 x16，双向带宽 128GB/s；

3.3 组网

与 A100 也类似，只是标配改成了 400Gbps 的 CX7 网卡， 否则网络带宽与 PCIe Switch 和 NVLink/NVSwitch 之间的差距更大了。

L40S 是今年（2023）即将上市的新一代“性价比款”多功能 GPU，对标 A100。 除了不适合训练基座大模型之外（后面会看到为什么），官方的宣传里它几乎什么都能干。 价格的话，目前第三方服务器厂商给到的口头报价都是 A100 的 8 折左右。

4.1 L40S vs A100 配置及特点对比

L40S 最大的特点之一是 time-to-market 时间短，也就是从订货到拿到货周期比 A100/A800/H800 快很多。 这里面技术和非技术原因都有，比如：

  • 不存在被美国制裁的功能，比如 FP64 和 NVLink 都干掉了；
  • 使用 GDDR6 显存，不依赖 HBM 产能（及先进封装）；

价格便宜也有几方面原因，后面会详细介绍：

  1. 大头可能来自 GPU 本身价格降低：因为去掉了一些模块和功能，或者用便宜的产品替代；
  2. 整机成本也有节省：例如去掉了一层 PCIe Gen4 Swtich；不过相比于 4x/8x GPU，整机的其他部分都可以说送的了；

4.2 L40S 与 A100 性能对比

下面是一个官方标称性能对比：

具体场景的性能对比网上也有很多官方资料，这里就不列举了。简单来，

  • 性能 1.2x ~ 2x（看具体场景）。
  • 功耗：两台 L40S 和单台 A100 差不多

需要注意，L40S 主机官方推荐的是单机 4 卡而不是 8 卡（后面会介绍为什么）， 所以对比一般是用 两台 4*L40S vs 单台 8*A100。另外，很多场景的性能提升有个 大前提：网络需要是 200Gbps RoCE 或 IB 网络，接下来介绍为什么。

4.3 L40S 攒机

推荐架构：2-2-4

相比于 A100 的 2-2-4-6-8-8 架构， 官方推荐的 L40S GPU 主机是 2-2-4 架构，一台机器物理拓扑如下：

推荐单机 4 卡 L40S GPU 主机拓扑

最明显的变化是去掉了 CPU 和 GPU 之间的 PCIe Switch 芯片， 网卡和 GPU 都是直连 CPU 上自带的 PCIe Gen4 x16（64GB/s），

  • 2 片 CPU（NUMA）
  • 2 张双口 CX7 网卡（每张网卡 2*200Gbps）
  • 4 片 L40S GPU，每片 CPU 上 2 个 GPU

这样每片 GPU 平均 200Gbps 网络带宽。

不推荐架构：2-2-8

单机 8 卡 L40S GPU 主机拓扑，来自 NVIDIA L40S 官方推介材料

如图，跟单机 4 卡相比，单机 8 卡需要引入两片 PCIe Gen5 Switch 芯片：

  • 说是现在PCIe Gen5 Switch 单片价格 1w 刀（不知真假），一台机器需要 2 片；价格不划算；
  • PCIe switch 只有一家在生产，产能受限，周期很长；
  • 平摊到每片 GPU 的网络带宽减半；

4.4 组网

官方建议 4 卡机型，搭配 200Gbps RoCE/IB 组网。

4.5 数据链路带宽瓶颈分析

单机 4 卡 L40S GPU 主机带宽瓶颈分析

以同 CPU 下面的两种 L40S 为例，这里面有两条链路可选：

  1. 直接通过 CPU 处理：GPU0 <--PCIe--> CPU <--PCIe--> GPU1

    • PCIe Gen4 x16 双向 64GB/s，单向 32GB/s；
    • CPU 处理瓶颈？TODO

  2. 完全绕过 CPU 处理，通过网卡去外面绕一圈再回来：GPU0 <--PCIe--> NIC <-- RoCe/IB Switch --> NIC <--PCIe--> GPU1

    • PCIe Gen4 x16 双向 64GB/s，单向 32GB/s；
    • 平均每个 GPU 一个单向 200Gbps 网口，单向折算 25GB/s；
    • 需要 NCCL 支持，官方说新版本 NCCL 正在针对 L40S 适配，默认行为就是去外面绕一圈回来；

第二种方式看着长了很多，但官方说其实比方式一还要快很多（这里还每太搞懂，CPU 那里是怎么处理的？）—— 前提是网卡和交换机配到位：200Gbps RoCE/IB 网络。在这种网络架构下（网络带宽充足），

  • 任何两片 GPU 的通信带宽和延迟都是一样的，是否在一台机器内或一片 CPU 下面并不重要，集群可以横向扩展（scaling up，compared with scaling in）；
  • GPU 机器成本降低；但其实对于那些对网络带宽要求没那么高的业务来说，是把 NVLINK 的成本转嫁给了网络，这时候必须要组建 200Gbps 网络，否则发挥不出 L40S 多卡训练的性能。

如果是方式二，同主机内 GPU 卡间的带宽瓶颈在网卡速度。即使网络是推荐的 2*CX7 配置，

  • L40S： 200Gbps（网卡单向线速）
  • A100： 300GB/s（NVLINK3 单向） == 12x200Gbps
  • A800： 200GB/s（NVLINK3 单向） == 8x200Gbps

可以看到，L40S 卡间带宽还是比 A100 NVLINK 慢了 12 倍， 比 A800 NVLink 慢了 8 倍，所以不适合数据密集交互的基础大模型训练。

4.6 测试注意事项

如上，即便只测试单机 4 卡 L40S 机器，也需要搭配 200Gbps 交换机，否则卡间性能发挥不出来。

  1. NVLink-Network Switch - NVIDIA’s Switch Chip for High Communication-Bandwidth SuperPODs, Hot Chips 2022
  2. ChatGPT Hardware a Look at 8x NVIDIA A100 Powering the Tool, 2023
  3. NVIDIA Hopper Architecture In-Depth, nvidia.com, 2022
  4. DGX A100 review: Throughput and Hardware Summary, 2020
  5. Understanding NVIDIA GPU Performance: Utilization vs. Saturation, 2023

文章来源: https://arthurchiao.github.io/blog/gpu-advanced-notes-1-zh/
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