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IT产业正在发生两大根本性转变：一是CPU性能无法持续增长，每五年以同样成本获得十倍性能提升的故事已经结束，并且，也无法用同样的成本和电力消耗负担这种增长态势；二是AI大模型对数据中心的规模、算力等需求不断攀高，使得整个数据中心的计算和通信架构需要被重塑。
这样的变化迫切吗？走在AI大模型竞赛最前沿的NVIDIA看到，迫切且重要。随着GPU的处理性能不断提升，数据中心的网络传输能力面临瓶颈。也正是如此，NVIDIA专门针对以太网环境，推出了创新的Spectrum-X 网络平台，致力于提高基于以太网 AI 云的性能与效率。
面向超大规模生成式AI，NVIDIA推出加速以太网平台
NVIDIA Spectrum-X的核心是 Spectrum-4 以太网交换机、BlueField-3 DPU、LinkX高性能线缆/模块和NVIDIA端到端加速软件，与传统以太网相比，实现了1.7倍的整体AI性能和效能提升，可在多租户环境中提供一致、可预测的性能。
Spectrum-4作为全球首款专为AI网络打造的51.2Tb/s以太网交换机，可以实现无损RoCE网络的大规模、可扩展和高性能，与主机端的 BlueField-3 DPU和NVIDIA LinkX线缆及模块相互协同，构建起一个专为AI云优化的端到端400GbE网络。
NVIDIA Spectrum-4 单台交换机即可实现突破性的 128 个 400Gb/s 端口的连接，使用两层叶脊拓扑可以连接超过 8,000 个400G 端口，以支持 AI 云的增长和扩展，同时保持极高的性能和极低的网络延时。
驱动Spectrum-X的加速软件在交换机端包括Cumulus Linux、开源SONiC和NetQ等，共同助力该网络平台的性能实现。在主机端包括BlueField-3 DPU的核心软件—— NVIDIA DOCA软件框架以及其它加速软件等，便于开发人员构建软件定义的云原生AI应用。
重塑数据中心计算和网络架构
面对激增的数据量，数据中心越来越需要整体运作。以往单一的、简单的应用，可能只需调用几台服务器即可，甚至一个VM就可以满足需求。但是，随着AI驱动的负载规模越来越大，甚至需要调动整个数据中心资源协同工作来完成一项工作，也就是说，整个数据中心越来越成为一台“大计算机”，这就需要从底层对数据中心整体架构进行重塑，保证数据中心整体的效率和性能，而计算和通信网络架构是两大核心。
据NVIDIA网络技术专家崔岩介绍，依据集群中的GPU数量和所支持的应用负载，可以将数据中心应用场景分为三大类：传统的云计算场景、生成式AI云、以及AI工厂。
其中，AI工厂是NVIDIA面向大规模、大算力、高性能场景下，创造的新的网络应用场景，最近的一些大语言模型都是基于NVLink+InfiniBand这种无损网络架构实现的；第二种是多租户、工作负载多样、且需要融入人工智能和生成式AI的场景，可以用最新推出的Spectrum-X以太网架构；第三种是传统云计算场景，基于传统以太网架构。
“加速计算和生成式AI的结合创造出了一个新的数据中心市场，我们需要重塑数据中心的计算和通信架构。NVIDIA提出了整体的加速计算架构，GPU、CPU、DPU的三U一体，就是NVIDIA提供的多样性高性能硬件计算平台和网络通讯平台。”崔岩表示，“此外，NVIDIA 全新推出的Spectrum-X以太网网络架构，区别于原来的面向企业应用的以太网（负载效率不太高，有长尾延时和大量抖动情况等），是专门为生成式AI量身打造的以太网平台，针对RoCE进行了端到端的优化，并且可以对端到端网络进行编程，在大规模、高负载环境下能够提供更好的性能，很好地满足了新型生成式AI云对高性能网络的需求。”
如何满足生成式AI所需的网络能力？
NVIDIA网络亚太区高级总监宋庆春指出，大模型参数规模的扩大，导致GPU训练集群越来越庞大。当一个大模型跑在几百、几千、上万个GPU集群上时，性能不仅取决于单一GPU、单一服务器，也取决于网络性能，一定要有非常高的通信效率。如果网络利用率不高，就会直接导致GPU通信效率不高，使得GPU集群能效受限。
此外，AI训练不允许任何数据丢失情况的发生，使得无损网络变得非常重要，这就需要对传统以太网进行改造。
崔岩介绍，NVIDIA通过BlueField-3 DPU 和Spectrum-4交换机的端到端优化设计，采用基于优先级的流量控制机制，实现了无损以太网，通过主机端 BlueField-3 DPU 和Spectrum-4交换机的配合，创新地实现了在无损RoCE网络上的逐包动态路由，大幅提升了网络通信效率。而在传统以太网上，对于一条流来演，选好一条转发路线后就顺序进行发包，即使出现拥塞或其他特殊情况，也无法动态改变。
如上图所示，绿色和紫色分别代表两个工作负载，都拆分为A、B、C、D四个数据包。在动态路由机制下：在发送端由BlueField-3 DPU将数据包传给Spectrum-4交换机，由Spectrum-4交换机将数据包分发到所有可用路线（执行的是对数据包逐包进行最佳路径的选择）；当数据包通过不同路径到达接收端时，再由接收端的BlueField-3 DPU进行数据乱序重组。这样一来，可以充分利用交换机之间的链路，让数据包能够走不同的最优路径到达接收端，从而提升整体网络性能。
从上图左侧的性能对比可以看出，传统以太网的带宽起伏非常大，而基于Spectrum-X无损网络端到端的动态路由机制，每条链路都得到充分利用，可以提升1.6倍有效带宽。
此外，通过可编程拥塞控制实现的业务性能隔离技术也非常关键。在云端跑多个训练任务时，不同工作负载会影响彼此性能，而通过任务性能隔离，能够优化总体性能，让每个工作负载都达到理想的性能。
在AI训练任务的数据传输过程中，往往存在发送端和接收端是多对一的情况，如果是传统的、没有拥塞控制的网络，就会导致接收能力不足，在末端的交换机发生拥塞。如上图中，因为紫色数据包是排在绿色数据包之后，由于绿色拥塞，导致紫色数据包变成牺牲流。如果是两个租户，就会因为一个工作负载影响另一个工作负载。
而基于Spectrum-X端到端平台，BlueField-3 DPU可以对于网络中遥测数据进行探测，通过主动采集Spectrum-4遥测机制生成的拥塞状况数据，在拥塞发生的早期阶段就提前调节以什么样的速率发送数据。通过实时检测拥塞点，用可编程拥塞控制技术，来监控和控制数据流，从而实现不同工作负载之间的性能隔离。从实际的性能对比可以看出，性能隔离技术可以将NCCL ALLREDUCE带宽提升2.5倍。
“这就好比是通过高德地图看到入口已经堵车，那么就减缓到那里的速度或者减少车流量，让拥塞得到缓解；或者发生‘堵车’前就通过BlueField-3 DPU进行控制，保证所有的数据都可以正常地在不拥堵的情况下到达接收方。”崔岩说道。
打造全球最大的Spectrum-X集群
目前，Spectrum-4 交换机、BlueField-3 DPU 和 400G LinkX 线缆/模块现已上市，可提供NVIDIA Spectrum-X 方案的公司包括戴尔科技、联想和超微。
基于最新发布的Spectrum-X平台，NVIDIA构建了生成式AI云超级计算机 —— Israel-1， 实现基于Spectrum-X网络平台的生成式AI云。在其中投入了256 台基于NVIDIA HGX平台的Dell服务器，共包括2048个GPU，并且，配备了2560个BlueField-3 DPU、80 多台 Spectrum-4 以太网交换机。
据介绍，Israel-1 Spectrum-X生成式AI云将是全球性能排名靠前的AI超级计算机之一，峰值 AI训练性能可达8 EFlop/s (8000PFlop/s)。根据已公开信息，业界尚无厂商进行这样规模的投资。
宋庆春指出，数据中心的网络已经成为一个非常重要的计算单元，其中既包括计算能力，也包括通信能力，更重要的是，如何让计算和通信更好地得到融合 —— 这是NVIDIA始终强调端到端优化的原因。并且，NVIDIA在努力推动网络计算技术的发展，将整个AI工作负载的各个组件重新洗牌，重新定义各项工作应该在GPU、交换机还是DPU来运行；通过重新定位每项工作，将其放在合适的位置、创建全新的计算平台，才能让未来算力平台达到最高效、能耗最低。
他强调，在推动Spectrum-X时，NVIDIA身先士卒，打造了Israel-1 生成式AI云。这会是全球最大的基于Spectrum-X的集群之一，且是全球最大的基于以太网的AI云集群之一。NVIDIA相当于打造了一个超大的参考模型来进行新技术验证，通过运行生成式AI或者其它工作负载，将持续优化云端采用Spectrum-X的网络平台，并将经验分享给NVIDIA的Spectrum-X用户，希望用户能看到和用到这些创新的潜能，真正满足未来大规模计算的性能需求。
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