人工智能万卡 GPU 集群的硬件和网络架构_万卡集群需要多少4090

 

万卡 GPU 集群互联：硬件配置和网络设计

   

一、背景

自从 OpenAI 推出 ChatGPT 以来，LLM 迅速成为焦点关注的对象，并取得快速发展。众多企业纷纷投入 LLM 预训练，希望跟上这一波浪潮。然而，要训练一个 100B 规模的 LLM，通常需要庞大的计算资源，例如拥有万卡 GPU 的集群。以 Falcon 系列模型为例，其在 4096 个 A100 组成的集群上训练 180B 模型，训练 3.5T Token 耗时将近 70 天。随着数据规模不断膨胀，对算力的需求也日益增长。例如，Meta 在训练其 LLaMA3 系列模型时使用了 15T 的 Token，这一过程是在 2 个 24K H100 集群上完成的。

本文深入探讨构建大规模GPU集群的关键组件与配置。涵盖多样GPU类型与服务器配置，网络设备（网卡、交换机、光模块）调优，以及数据中心网络拓扑设计（如3-Tier、Fat-Tree）。特别聚焦NVIDIA DGX A100与DGX H100 SuperPod的精准配置与网络布局，同时概览业界万卡集群标准拓扑。助您全面理解，高效构建大规模GPU集群。

构建超万卡GPU集群是一项复杂的挑战，涉及存储网络、管理网络等多个维度。尽管本文仅触及冰山一角，但已深入探讨了广泛采用的树形拓扑结构。值得注意的是，电力与冷却系统作为集群稳定运行的关键，同样不可或缺。未来，集群的构建与维护还需在这些方面持续精进。

二、相关组件

2.1 GPU

Ampere、Hopper及最新Blackwell系列GPU持续进化，如图表所示，显存、算力及NVLink性能均显著增强，彰显其强大的技术迭代与性能提升。

• A100升级至H100，FP16稠密算力提升超3倍，功耗从400w增至700w，效能显著提升，为高性能计算注入新动力。
• H200升级至B200，FP16稠密算力翻倍，功耗仅从700w增至1000w，性能提升显著，能效比优异。
• Blackwell GPU以其FP4精度支持，算力高达FP8的两倍。NVIDIA报告中，FP4算力与Hopper架构FP8算力对比，凸显了显著的加速优势，展现了Blackwell GPU的卓越性能。
• GB200搭载完整的Full B200芯片，而B100和B200则是其简化版本，确保性能与成本的精准平衡。

2.2 HGX

HGX，NVIDIA倾力打造的高性能服务器，集8或4个GPU于一身，搭载Intel或AMD CPU。其NVLink与NVSwitch技术实现全面互联，确保性能极致释放（8个GPU为NVLink全互联上限）。散热系统采用风冷设计，确保稳定运行。HGX，引领服务器性能新纪元。

• HGX A100升级至HGX H100和HGX H200，FP16稠密算力激增3.3倍，同时功耗控制不到原两倍，性能卓越，效率领先。
• HGX B100和B200在FP16稠密算力上实现近2倍提升，相较HGX H100和H200，功耗保持相当，最多节省近半，性能卓越且能效出众。
• HGX B100与B200网络保持原配，后向IB网卡维持8x400Gb/s高速传输，无需升级，确保稳定高效。

NVIDIA DGX与HGX，专为深度学习、人工智能及大规模计算打造的高性能解决方案，各具特色，满足不同设计及应用需求。

• DGX，专为普通消费者打造，提供即插即用高性能方案，配备完整软件支持，涵盖NVIDIA深度学习软件栈、驱动与工具，预构建且封闭，轻松满足您的多样化需求。
• HGX，专为云服务提供商与大规模数据中心运营商打造，构建高性能定制解决方案的利器。模块化设计，支持按需定制硬件，作为硬件平台或参考架构，助力客户构建卓越性能。

2.3 网络

2.3.1 网卡

这里主要介绍 ConnectX-5/6/7/8，是 Mellanox 的高速网卡，都支持以太网和 IB（InfiniBand）。2016 年发布 ConnectX-5，2019 年 NVIDIA 收购 Mellanox，然后 2020 年发布了 ConnectX-6，2022 年发布 ConnectX-7，2024 年 GTC 大会上老黄介绍了 ConnectX-8，还没看到详细参数。几个网卡对应的简要配置如下所示，可以看出，基本上每一代的总带宽都翻倍，下一代估计能到 1.6Tbps：

2.3.2 交换机

NVIDIA提供以太网和IB交换机，支持数十至数百端口。其总吞吐量（双向交换能力）计算为最大带宽乘以端口数再乘以2，这里的2代表双向传输。这一配置确保高性能的数据传输和处理能力。

Spectrum-X系列以太网交换机，支持高带宽数据传输，满足多样化网络需求。尽管低带宽也兼容，但总端口数固定，故在此主要展示高带宽数据。

如下图为常见的 Quantum-X 系列 IB 交换机：

除了以上的 Mellanox 交换机外，现在也有很多数据中心会采用框式交换机（Modular Switch），比如 Meta 最近的 Building Meta's GenAI Infrastructure 中提到其构建了 2 个包含 24K H100 的 GPU 集群，其中使用了 Arista 7800 系列交换机，而 7800 系列就包含框式交换机，如下图所示，7816LR3 和 7816R3 甚至可以提供 576 Port 的 400G 高速带宽，其内部通过高效的总线或者交换背板互联，传输和处理的延迟非常低：

2.3.3 光模块

光模块是光纤通信的核心，可将电信号高效转化为光信号，通过光纤传输，实现超高速率、长距离通信，且抗电磁干扰能力强。它集成发射器与接收器，前者负责电转光，后者实现光转电，为现代通信提供坚实技术支撑。下图为光模块结构示意，展现其工作原理与卓越性能。

SFP与QSFP，光纤通信中两大光模块接口。SFP小巧便携，QSFP则四倍扩展。两者在尺寸、带宽及应用上各有千秋：S