简介

背景

最近大家对 NVIDIA GPU 的关注度很高，一方面是美国再次对中国实施算力封锁，另一方面 NVIDIA 又在加快其新 GPU 的迭代速度。最近几天刚发布了 H200 GPU，并要在 2024 年发布新一代的 B100 GPU，这导致国内可用 GPU 与国外可用 GPU 的算力差距越来越大。本文中，我们简单回顾一下 NVIDIA GPU 常见的一些指标，以便能更好地了解不同 GPU 的配置，以及相应的应用场景。

如下图所示为 NVIDIA GPU 的发展路线图：

中国特供 H20、L20、L2

由于前段时间 A800，H800 也被美国禁售，传言 NVIDIA 要针对中国发售阉割版的 H20（H100）、L20（L40）和 L2（L4）。这里我们简单对比下其与对应型号的差距：

显存大小和带宽基本没变，H20 的显存带宽甚至从 H100 的 3.4 TB/s 增加到 4.0 TB/s
H20 依然保留了 900GB/s 的 NVLink 和 H100 一致
算力降低（H20 的 Tensor Core 算力大幅低于 H100）
- Tensor Core FP16：
- - H100 : H20 = 1979 : 148
  - L40 : L20 = 181.05 : 119.5
  - L4 : L2 = 242 : 96.5
- CUDA Core FP32：
- - H100 : H20 = 67 : 44
  - L40 : L20 = 90.5 : 59.8
  - L4 : L2 = 30.3 : 48.3

数据类型

NVIDIA GPU 支持的数据类型

NVIDIA GPU 从 Volta 架构开始支持 Tensor Core，专门用于矩阵乘法和累加计算，其和 CUDA Core 支持的数据类型也不相同。如下图所示为不同架构 GPU Tensor Core 和 CUDA Core 支持的数据类型。

可以看出，V100 是 Volta 架构，其 Tensor Core 只支持 FP16，而 Tensor Core 整体的算力一般是 CUDA Core 算力的几倍，因此如果在 V100 上使用 INT8，只能运行在 CUDA Core 上，其性能可能反而比使用 FP16 还差不少。同样，H100 的 Tensor Core 也不再支持 INT4 计算。

数据类型表示方式

不同数据类型的表示如下所示，其中：

sign：表示符号位
exponent：表示指数位
mantissa：表示小数位

如上图所示，A100 和 H100 还支持 TF32 数据类型，其使用 19 位表示。从 H100 开始又支持了 FP8 类型，而且支持 E5M2 和 E4M3 两种类型，如下图所示：

FP8 两种类型的表示范围如下所示：

微软 FP8-LM 大模型训练

最近微软也发布了使用 FP8 训练大模型的方案（[2310.18313] FP8-LM: Training FP8 Large Language Models），甚至可以比 BF16 加速 64%，如下图所示：

GPU 硬件架构

概览

如下图所示为 GA 100 的架构图：

包含 8 个 GPC
包含 12 个 NVLink

GPU 的算力与其中的 CUDA Core、Tensor Core 的数量以及 Boost Clock 成正比，Ampere 架构有多个成员，以 GA100 和 GA102 为例，二者对应配置如下：

GA100：
- 每个 GPC 里包含 16 个 SM（Streaming Multiprocessor）单元（部分 SM 会被屏蔽）
- 每个 SM 包含 4 个 processing block
- 每个 processing block 包含：
- - 16 个 INT32 单元，不支持 FP32
  - 16 个 FP32 单元，不支持 INT32
  - 8 个 FP64 单元
  - 1 个 Tensor Core
GA102：
- 每个 GPC 里包含 12 个 SM 单元
- 每个 SM 包含 4 个 processing block
- 每个 processing block 包含：
- - 16 个 INT32|FP32 单元，既能支持 INT32，又能支持 FP32，但同时只支持一种
  - 16 个 FP32 单元，不支持 INT32
  - 1 个 Tensor Core

如下图所示为 GA100 的一个SM：

如下图所示为 GA102 的一个 SM：

CUDA Core 算力计算

针对 CUDA Core，一个时钟周期可以完成一次 FFMA 操作，以 A10 为例，CUDA Core：

INT32 TOPS:

4608 ∗ 1695(Mhz) ∗ 2(mul, add) = 15.62TOPS

FP32 TFLOPS:

9216 ∗ 1695(Mhz) ∗ 2(mul, add) = 31.24TFLOPS

两种核心的 CUDA Core 都支持 FP16，但没有专门的 FP16 单元，而且 FP16 和 FP32 TFLOPS 的比例也不同，这是因为：

针对 GA102，一个 FP32 单元可以拆分为两个 FP16 使用（INT32|FP32 单元不支持），所以 TFLOPS 为 (A10)：

(4608 ∗ 2) ∗ 1695(Mhz) ∗ 2(mul, add) = 31.24TFLOPS

针对 GA100，一个 FP32 单元可以拆分为两个 FP16 使用，一个FP64 单元可以拆分为 4 个 FP16 使用，所以 TFLOPS 为（A100）：

(6912 ∗ 2 + 3456 ∗ 4) ∗ 1410(Mhz) ∗ 2(mul, add) = 77.97TFLOPS

Tensor Core 算力计算

Tensor Core 是 NVIDIA GPU 从 Volta 架构开始引入的一种特殊计算单元，专门用于加速矩阵乘法和累积运算（这也是机器学习和深度学习模型中最主要的操作），从而大大加速模型的训练和推理速度。与 CUDA Core 不同，CUDA Core 在一个时钟周期只能完成 1 次浮点乘加操作，而 Tensor Core 可以在一个时钟周期完成 1 组浮点乘加操作，比如一个小型矩阵的乘加操作 D = A ∗ B + C。

针对 Tensor Core，一个时钟周期可以完成多个 FFMA 操作：

Volta 架构（V100），一次可以完成 64 个 FP16 FFMA（4x4x4 的矩阵乘），所以对应的 FP16 TFlops 为：

640 ∗ 1530(Mhz) ∗ 64 ∗ 2(mul, add) = 125TFlops

Ampere 架构（A100），一次可以完成 256 个 FP16 FFMA（8x4x8 的矩阵乘），所以对应的 FP16 TFlops 为：

432 ∗ 1410(Mhz) ∗ 256 ∗ 2(mul, add) = 311TFlops

如下所示为不同系列 Tensor Core 的支持情况：

显存

显存大小和带宽

NVIDIA GPU 的显存是另外一个大家经常关注的指标，NVIDIA GPU 显存有两种类型，GDDR 和 HBM，每种也有不同的型号。针对显存我们通常会关注两个指标：显存大小和显存带宽。HBM 显存通常可以提供更高的显存带宽，但是价格也更贵，通常在训练卡上会使用，比如 H100、A100 等，而 GDDR 显存通常性价比更高，在推理 GPU 或游戏 GPU 更常见，比如 T4、RTX 4090 等。

如下图为常见训练 GPU 的显存信息：

如下图为常见推理 GPU 的显存信息：

如下图为常见游戏 GPU 的显存信息：

显存大小和带宽的影响

我们知道，传统的 CV、NLP 模型往往比较小，而且基本都是 Compute bound 的，所以普遍对显存大小、带宽关注比较少；而现在 LLM 模型很大，推理通常也是 IO bound，因此越来越多人开始关注 GPU 显存大小和显存带宽。

最近 NVIDIA 正式推出 H200 GPU，相比 H100，其主要的变化就是 GPU 显存从 80GB 升级到 141GB，显存带宽从 3.5TB/s 增加到 4.8TB/s，也就是说算力和 NVLink 没有任何提升，这可能是为了进一步适配大模型推理的需求：

如下所示为 H200 在同样数量情况下相比 H100 的 LLM 推理性能对比：

LLaMA2 13B，性能提升为原来的 1.4 倍：
- 1 个 H100，batch size 为 64
- 1 个 H200，batch size 为 128
LLaMA2 70B，性能提升为原来的 1.9 倍：
- 1 个 H100，batch size 为 8
- 1 个 H200，batch size 为 32
GPT-3 175B，性能提升为原来的 1.6 倍：
- 8 个 H100，batch size 为 64
- 8 个 H200，batch size 为 128

GPU 间通信

我们常见的 NVIDIA GPU 有两种常见的封装形式：PCIe GPU 和 SXM GPU。如果只有一个 GPU，那么 NVLink 也就没意义；如果有 2 个 PCIe GPU，那么可以使用 NVLink 桥接器（Bridge）实现互联；如果超过 2 个 PCIe GPU，就无法实现 NVLink 的分组互联，此时只能考虑使用 SXM GPU。

一般来讲，单机内的多 GPU 之间通信分为：PCIe 桥接互联通信、NVLink 部分互联通信、NVSwitch 全互联通信三种。

PCIe 桥接互联通信

NVIDIA 从 2010 年开始发布 GPUDirect 相关技术，旨在优化 GPU 之间，GPU 与 CPU 等设备的数据传输，从而提升系统性能和效率。目前 NVIDIA 已经发布 GPUDirect v1、v2 和 v3，当然还有 GPUDirect Storage 等。

PCIe 互联通信

如下图所示，当两个 GPU 直接使用 PCIe 互联时，GPU 只能以 32 GB/s 的最大双向带宽（PCIe 4.0 x16）访问其他 GPU 上的内存。此外，这些交互会与总线上的 CPU 操作竞争，甚至进一步占用可用带宽。

GPUDirect v1

2010 年，NVIDIA 随 CUDA 3.1 发布 GPUDirect v1，就是常说的 GPUDirect Shared Memory，可以实现 GPU 驱动与 IB 驱动共享主机端锁页内存（Page-Locked Memory），而无需经过 CPU 干预。

如下图所示，在没有使用 GPUDirect 的情况下，GPU 需要将数据从显存复制到 GPU 驱动在系统内存中 pin 住的 Memory 1（Page-Locked Memory），再从 Memory 1 复制到 Memory 2（需要 CPU 参与），之后才能进一步传输，相当于经过了 3 次数据拷贝。而使用 GPUDirect 之后，仅需 2 次数据拷贝，减少了 1 次，降低了数据交换延迟和 CPU 负载。

需要注意的是，GPUDirect v1 并不是兼容所有的 NIC(Network Interface Card) 设备，需要有专门的 IB 适配器，另一方面也需要应用程序进行特殊的处理才能使用。这也导致 GPUDirect v1 在实践中的应用受到了一定限制。

GPUDirect v2

2011 年，NVIDIA 随 CUDA 4.0 发布 GPUDirect v2，就是常说的 GPUDirect P2P(Peer-to-Peer)，增加了同一 PCIe 总线上 GPU 之间的 Peer to Peer Direct Access 和 Direct Transfers 的支持。

如下图所示，在同一 PCIe 总线上，P2P 支持 GPU 之间直接互访显存，不需要将数据复制到系统内存进行中转，进一步降低了数据交换的延迟。

GPUDirect v3

2012 年，NVIDIA 随 CUDA 5.0 发布 GPUDirect v3，就是常说的 GPUDirect RDMA（Remote Direct Memory Access），其允许不同节点上的两个 GPU 设备直接通过网络通信，而不需要 CPU 介入，从而提高数据传输的速度和效率，并降低系统负载。

如下图所示，Server 1 上的 GPU 2 和 Server 2 上的 GPU 1 可以直接通过网络通信。

GPUDirect Storage

随着 AI、HPC 等数据集规模的不断增加，加载数据所花费的时间也开始影响程序的性能，将数据从存储中加载到 GPU 显存中的慢速 IO 也成为制约程序性能的一个关键因素。

GPU Direct Storage 支持本地或远程存储（比如 NVMe 或 NVMe over Fabric)与 GPU 显存之间的直接数据交互，避免了通过 CPU 内存中转所需的额外拷贝。可以直接将数据写入或写成显存，而不给 CPU 增加负担。

NVLink 互联通信

NVLink

NVLink（点对点结构的串行通信协议）是 NVIDIA 开发的高速互联技术，其可实现 GPU 之间，GPU 与 CPU 等设备之间的高速、低延迟、高带宽的互联通信，为 GPU 计算和大规模数据处理提供支持。当前 NVLink 已经发展到第四代，如下表所示：

两 GPU NVLink Bridge 互联

NVLink 桥接器（Bridge）可以实现两个 GPU 的互联，但也只能实现两个 GPU 的互联，超过 2 个 GPU 必须使用 NVLink。

不同的 GPU 需要选择不同的 NVLink Bridge，且带宽也不同，大致如下所示：

如下图所示为两个 PCIe 版本 A100 通过 3 个 NVLink Bridge 互联：

两 GPU NVLink 互联

如下图所示，两个 P100 GPU 通过 NVLink v1 互联，可以避免占用 PCIe 总线，并获得 160 GB/s 的通信带宽：

八 GPU NVLink 互联

如下图所示，八个 V100 GPU 通过 NVLink v2 互联，以 GPU 0 为例介绍其与其他 GPU 的互联情况：

GPU 1：有 1 个 NVLink 连接，可提供双向 50GB/s 带宽
GPU 2：有 1 个 NVLink 连接，可提供双向 50GB/s 带宽
GPU 3：有 2 个 NVLink 连接，可提供双向 100GB/s 带宽
GPU 4：有 2 个 NVLink 连接，可提供双向 100GB/s 带宽
GPU 5：不互联
GPU 6：不互联
GPU 7：不互联

四 GPU NVLink 全互联

如下图所示，四个 A100 GPU 通过 NVLink v3 互联，任意两个 GPU 都由 4 个 NVLink 连接，也就是任意两个 GPU 之间都可以提供 200GB/s 的双向带宽，总的带宽是 1.2 TB/s：

NVSwitch 全互联通信

NVSwitch

NVSwitch 是一款 GPU 桥接设备，可提供所需的 NVLink 交叉网络。端口逻辑模块中的数据包转换使得进出多 GPU 的流量看似是通过单一 GPU 的。

比如 NVSwitch v2，每个 NVSwitch 上包含 18 个 Port，每个 Port 的带宽（双向）都是 50GB/s，每个 Port 都能和其他 Port 互联，整个 NVSwitch 的带宽可以达到 900GB/s。NVSwitch 的路由表由 NVIDIA Fabric Manager 来索引和控制。

如下图所示，新的 NVSwitch v3 包含 64 个 Port，整个 NVSwitch 的带宽可以达到 3.2 TB/s：

八 GPU NVSwitch v2 全互联

DGX-A100 是单主板 8 GPU，每个 GPU 上有 12 个 NVLink，每个主板上有 6 个 NVSwitch，每个 GPU 有 2 个 NVLink 连到一个 NVSwitch，一个 NVSwitch 就有 16 个 port 被占用，也就无法实现两个主板的互联，可以实现 2.4 TB/s 的双向带宽（48 个连接，每个连接单向 25 GB/s）

十六 GPU NVSwitch v2 全互联

DGX-2 只有单主板 4 GPU 或单主板 8 GPU，对于 16 卡的是 2 个单主板 8 GPU，每个主板上的 8 个 GPU 都会有一个 NVLink 连接到同一个 NVSwitch，每个 GPU 有 6 个 NVLink，所以每个主板需要 6 个 NVSwitch，两个主板需要 12 个 NVSwitch，主板之间使用剩下的 NVSwitch 互联。

在设计的时候就是每个板上 6 个 NVSwitch。

如下图所示，12 个 NVSwitch 2.0 连接 16 个 A100 实现 0 跳互联（只使用了 18 个 Port 中的 16 个），可以实现 2.4 TB/s 的双向带宽（48 个连接，每个连接单向 25 GB/s）：

查看连接拓扑结构

可以使用 “nvidia-smi topo -m” 查看拓扑结构。

比如，如下为一种 8 卡 V100 的 GPU 互联方式（其中的 NV1 表示有一个 NVLink 连接，NV2 表示有两个 NVLink 连接）：

可见其与如下连接方式一致：

这是另一种 8 卡 V100 的 GPU 互联方式：

速度测试

四卡 V100 P2P 带宽测试

如下图所示为对应的拓扑结构，可以看出使用 NVLink 实现全互联，每两个 GPU 间有两个 NVLink 连接，最大单向带宽 50GB/s，最大双向带宽 100GB/s：

如下图所示为使用 cuda-samples 中的 p2pBandwidthLatencyTest 测试的单向通信带宽，可以看出比理论值低一些，大概能到 48.5GB/s：

如下图所示为使用 cuda-samples 中的 p2pBandwidthLatencyTest 测试的双向通信带宽，可以看出比理论值低一些，大概能到 97GB/s：

八卡 A100 P2P 带宽测试

8 个 A100 使用 NVSwitch 实现全互联，

如下图所示为使用 cuda-samples 中的 p2pBandwidthLatencyTest 测试的单向通信带宽，可以看出比理论值低一些，大概能到 270 GB/s：

如下图所示为使用 cuda-samples 中的 p2pBandwidthLatencyTest 测试的双向通信带宽，可以看出比理论值低一些，大概能到 500 GB/s：

RexKing6's Note

GPU关键指标汇总：算力、显存、通信

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