IT產業正在發生兩大根本性轉變：一是CPU性能無法持續增長，每五年以同樣成本獲得十倍性能提升的故事已經結束，并且，也無法用同樣的成本和電力消耗負擔這種增長態勢；二是AI大模型對數據中心的規模、算力等需求不斷攀高，使得整個數據中心的計算和通信架構需要被重塑。

這樣的變化迫切嗎？走在AI大模型競賽最前沿的NVIDIA看到，迫切且重要。隨著GPU的處理性能不斷提升，數據中心的網絡傳輸能力面臨瓶頸。也正是如此，NVIDIA專門針對以太網環境，推出了創新的Spectrum-X 網絡平臺，致力于提高基于以太網 AI 云的性能與效率。

(資料圖片僅供參考)

面向超大規模生成式AI，NVIDIA推出加速以太網平臺

NVIDIA Spectrum-X的核心是 Spectrum-4 以太網交換機、BlueField-3 DPU、LinkX高性能線纜/模塊和NVIDIA端到端加速軟件，與傳統以太網相比，實現了1.7倍的整體AI性能和效能提升，可在多租戶環境中提供一致、可預測的性能。

Spectrum-4作為全球首款專為AI網絡打造的51.2Tb/s以太網交換機，可以實現無損RoCE網絡的大規模、可擴展和高性能，與主機端的 BlueField-3 DPU和NVIDIA LinkX線纜及模塊相互協同，構建起一個專為AI云優化的端到端400GbE網絡。

NVIDIA Spectrum-4 單臺交換機即可實現突破性的 128 個 400Gb/s 端口的連接，使用兩層葉脊拓撲可以連接超過 8,000 個400G 端口，以支持 AI 云的增長和擴展，同時保持極高的性能和極低的網絡延時。

驅動Spectrum-X的加速軟件在交換機端包括Cumulus Linux、開源SONiC和NetQ等，共同助力該網絡平臺的性能實現。在主機端包括BlueField-3 DPU的核心軟件—— NVIDIA DOCA軟件框架以及其它加速軟件等，便于開發人員構建軟件定義的云原生AI應用。

重塑數據中心計算和網絡架構

面對激增的數據量，數據中心越來越需要整體運作。以往單一的、簡單的應用，可能只需調用幾臺服務器即可，甚至一個VM就可以滿足需求。但是，隨著AI驅動的負載規模越來越大，甚至需要調動整個數據中心資源協同工作來完成一項工作，也就是說，整個數據中心越來越成為一臺“大計算機”，這就需要從底層對數據中心整體架構進行重塑，保證數據中心整體的效率和性能，而計算和通信網絡架構是兩大核心。

據NVIDIA網絡技術專家崔巖介紹，依據集群中的GPU數量和所支持的應用負載，可以將數據中心應用場景分為三大類：傳統的云計算場景、生成式AI云、以及AI工廠。

其中，AI工廠是NVIDIA面向大規模、大算力、高性能場景下，創造的新的網絡應用場景，最近的一些大語言模型都是基于NVLink+InfiniBand這種無損網絡架構實現的；第二種是多租戶、工作負載多樣、且需要融入人工智能和生成式AI的場景，可以用最新推出的Spectrum-X以太網架構；第三種是傳統云計算場景，基于傳統以太網架構。

“加速計算和生成式AI的結合創造出了一個新的數據中心市場，我們需要重塑數據中心的計算和通信架構。NVIDIA提出了整體的加速計算架構，GPU、CPU、DPU的三U一體，就是NVIDIA提供的多樣性高性能硬件計算平臺和網絡通訊平臺。”崔巖表示，“此外，NVIDIA 全新推出的Spectrum-X以太網網絡架構，區別于原來的面向企業應用的以太網（負載效率不太高，有長尾延時和大量抖動情況等），是專門為生成式AI量身打造的以太網平臺，針對RoCE進行了端到端的優化，并且可以對端到端網絡進行編程，在大規模、高負載環境下能夠提供更好的性能，很好地滿足了新型生成式AI云對高性能網絡的需求。”

如何滿足生成式AI所需的網絡能力？

NVIDIA網絡亞太區高級總監宋慶春指出，大模型參數規模的擴大，導致GPU訓練集群越來越龐大。當一個大模型跑在幾百、幾千、上萬個GPU集群上時，性能不僅取決于單一GPU、單一服務器，也取決于網絡性能，一定要有非常高的通信效率。如果網絡利用率不高，就會直接導致GPU通信效率不高，使得GPU集群能效受限。

此外，AI訓練不允許任何數據丟失情況的發生，使得無損網絡變得非常重要，這就需要對傳統以太網進行改造。

崔巖介紹，NVIDIA通過BlueField-3 DPU 和Spectrum-4交換機的端到端優化設計，采用基于優先級的流量控制機制，實現了無損以太網，通過主機端 BlueField-3 DPU 和Spectrum-4交換機的配合，創新地實現了在無損RoCE網絡上的逐包動態路由，大幅提升了網絡通信效率。而在傳統以太網上，對于一條流來演，選好一條轉發路線后就順序進行發包，即使出現擁塞或其他特殊情況，也無法動態改變。

如上圖所示，綠色和紫色分別代表兩個工作負載，都拆分為A、B、C、D四個數據包。在動態路由機制下：在發送端由BlueField-3 DPU將數據包傳給Spectrum-4交換機，由Spectrum-4交換機將數據包分發到所有可用路線（執行的是對數據包逐包進行最佳路徑的選擇）；當數據包通過不同路徑到達接收端時，再由接收端的BlueField-3 DPU進行數據亂序重組。這樣一來，可以充分利用交換機之間的鏈路，讓數據包能夠走不同的最優路徑到達接收端，從而提升整體網絡性能。

從上圖左側的性能對比可以看出，傳統以太網的帶寬起伏非常大，而基于Spectrum-X無損網絡端到端的動態路由機制，每條鏈路都得到充分利用，可以提升1.6倍有效帶寬。

此外，通過可編程擁塞控制實現的業務性能隔離技術也非常關鍵。在云端跑多個訓練任務時，不同工作負載會影響彼此性能，而通過任務性能隔離，能夠優化總體性能，讓每個工作負載都達到理想的性能。

在AI訓練任務的數據傳輸過程中，往往存在發送端和接收端是多對一的情況，如果是傳統的、沒有擁塞控制的網絡，就會導致接收能力不足，在末端的交換機發生擁塞。如上圖中，因為紫色數據包是排在綠色數據包之后，由于綠色擁塞，導致紫色數據包變成犧牲流。如果是兩個租戶，就會因為一個工作負載影響另一個工作負載。

而基于Spectrum-X端到端平臺，BlueField-3 DPU可以對于網絡中遙測數據進行探測，通過主動采集Spectrum-4遙測機制生成的擁塞狀況數據，在擁塞發生的早期階段就提前調節以什么樣的速率發送數據。通過實時檢測擁塞點，用可編程擁塞控制技術，來監控和控制數據流，從而實現不同工作負載之間的性能隔離。從實際的性能對比可以看出，性能隔離技術可以將NCCL ALLREDUCE帶寬提升2.5倍。

“這就好比是通過高德地圖看到入口已經堵車，那么就減緩到那里的速度或者減少車流量，讓擁塞得到緩解；或者發生‘堵車’前就通過BlueField-3 DPU進行控制，保證所有的數據都可以正常地在不擁堵的情況下到達接收方。”崔巖說道。

打造全球最大的Spectrum-X集群

目前，Spectrum-4 交換機、BlueField-3 DPU 和 400G LinkX 線纜/模塊現已上市，可提供NVIDIA Spectrum-X 方案的公司包括戴爾科技、聯想和超微。

基于最新發布的Spectrum-X平臺，NVIDIA構建了生成式AI云超級計算機 —— Israel-1， 實現基于Spectrum-X網絡平臺的生成式AI云。在其中投入了256 臺基于NVIDIA HGX平臺的Dell服務器，共包括2048個GPU，并且，配備了2560個BlueField-3 DPU、80 多臺 Spectrum-4 以太網交換機。

據介紹，Israel-1 Spectrum-X生成式AI云將是全球性能排名靠前的AI超級計算機之一，峰值 AI訓練性能可達8 EFlop/s (8000PFlop/s)。根據已公開信息，業界尚無廠商進行這樣規模的投資。

宋慶春指出，數據中心的網絡已經成為一個非常重要的計算單元，其中既包括計算能力，也包括通信能力，更重要的是，如何讓計算和通信更好地得到融合 —— 這是NVIDIA始終強調端到端優化的原因。并且，NVIDIA在努力推動網絡計算技術的發展，將整個AI工作負載的各個組件重新洗牌，重新定義各項工作應該在GPU、交換機還是DPU來運行；通過重新定位每項工作，將其放在合適的位置、創建全新的計算平臺，才能讓未來算力平臺達到最高效、能耗最低。

他強調，在推動Spectrum-X時，NVIDIA身先士卒，打造了Israel-1 生成式AI云。這會是全球最大的基于Spectrum-X的集群之一，且是全球最大的基于以太網的AI云集群之一。NVIDIA相當于打造了一個超大的參考模型來進行新技術驗證，通過運行生成式AI或者其它工作負載，將持續優化云端采用Spectrum-X的網絡平臺，并將經驗分享給NVIDIA的Spectrum-X用戶，希望用戶能看到和用到這些創新的潛能，真正滿足未來大規模計算的性能需求。

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