NV Switch 深度解析与性能剖析

   在当今高性能计算领域，英伟达（NVIDIA）的GPU技术犹如璀璨明星般闪耀。随着人工智能和机器学习技术的迅猛发展，对计算能力的需求不断攀升，实现GPU间的高效互联互通变得至关重要。正因如此，英伟达推出了NVLink协议及其基于此技术的多GPU互联解决方案——NV Switch，为高性能计算领域注入强大动力。

深度剖析NV Switch的发展历程、运行机制，以及其在构建高性能服务器集群中的决定性影响。揭秘这一科技背后的秘密，让读者领略其无限魅力。

为什么需要NV Switch

PCle互联

为了实现对其他GPU的HBM2访问，必须通过PCIe接口。然而，传统PCIe接口在数据传输速率和带宽方面存在限制，这往往导致GPU之间的通信成为性能瓶颈。为解决这一问题，英伟达推出了NVLINK技术，其带宽是PCIe的10倍。借助NVLINK，单个服务器内的8个GPU可以通过点对点网络连接，构建混合立方体网格。这一创新技术不仅提高了数据传输效率，还为高性能计算领域带来了新的突破。

NVLINK技术，以其独特的优势，颠覆了传统的CPU分配和调度机制，实现了GPU间的直接数据交换。这一设计不仅显著降低了数据传输延迟，更大幅度提升了系统吞吐量。借助NVlink GPCs，我们能轻松访问卡间HBM2内存数据，甚至对其他GPU内的HBM2数据进行操作。这就是NVLINK技术，让数据处理更迅速，更高效。

在多GPU环境中，NVLINK扮演着XBARs的角色，作为不同GPU间的连接纽带，确保数据自由流通。巧妙规避了与PCIe总线的冲突，让NVLINK与PCIe能和谐共存，互补提供所需的数据传输力，共同推动系统性能提升。

NV Switch进一步升级，实现全互联GPU系统无阻运行。通过增设更多NVLINK接口，消除中间GPU跳跃，扩大GPU互联规模，打造更强大的计算集群。让数据处理更高效，性能更卓越。

NV Switch的出现

在NVIDIA的历程中，Pascal架构首次引入了NVLink，如开辟高速通道，显著提升GPU间通信效率。而真正的技术突破，则在后续Volta架构中与NVSwitch同步实现。

NVSwitch，如同网络数据传输中的智能枢纽，支持更多NVLink链路并实现多GPU全互联，显著提升数据交换效率与灵活性。

NV Switch 演进

如上图所示，NVIDIA的Volta架构中，GPU间的通信速度已达到300GB/s，而在更先进的Hopper架构中，这一速度更是提升至900GB/s。这一突破性的进展，得益于NVLink链路数的显著增长，从Volta的6路扩展到Hopper的18路。这就像是在原有的高速公路上增设了立交桥和环岛，使得数据流能够更加迅速、高效地在各个GPU之间穿梭，为高性能计算和大规模并行处理提供了强大的支持。

NVLink 与 NVSwitch 相关的服务器

上图展示的是DGX服务器GPU芯片互联的架构图，如图所示，在DGX-1 P100中有8张GPU卡，每张GPU卡支持4条NVLink链路，这些链路允许GPU之间进行高速通信。在DGX-1 P100中，GPU卡被组织成两个cube mesh，每个cube包含4个GPU（GPU 0~3和GPU 4~7）。在每个cube内部，GPU之间可以直接通过NVLink或通过PCIe Switch进行通信。然而，跨cube的通信（例如GPU 0和GPU 4）需要通过其他GPU间接进行。

DGX-2引入了英伟达的第一代NVSwitch技术，这是一次重大突破，因为它使得GPU之间的通信更为高效。在Volta架构中，每张GPU卡现在支持6条NVLink链路，相比之前的4条有了显著提升。更重要的是，通过引入6个NVSwitch，所有服务器内的GPU卡都能实现全面互联，同时支持8对GPU进行并行通信，无需任何中间GPU跳数，实现了直接且高速的通信。这一创新大大提升了数据传输效率和整体计算性能，为用户带来前所未有的体验。

DGX-A100采用尖端的第二代NVSwitch技术，与首代相比，其通信带宽提升显著且延迟更低。在A100架构中，每块GPU卡均能支持12条高速NVLink（第三代）链路，配合6个NVSwitch，构建出全连接的网络拓扑。尽管标准的DGX A100配置仅包含8块GPU卡，但其强大的可扩展性允许用户添加更多A100 GPU卡和NVSwitch，助力打造更大规模的超级计算机。

DGX-H100使用的是第三代NVSwitch和第四代NVLink技术，其中每一个GPU卡支持18条NVLink链路。在H100架构中，通过引入了4个NV Switch，采用了分层拓扑的方式，每张卡向第一个NV Switch接入5条链路，第二个NV Switch接入4条链路，第三个NV Switch接入4条链路，第四个NV Switch接入5条链路，总共72 个 NVLink 提供 3.6 TB/s 全双工 NVLink 网络带宽，比上一代提高 1.5 倍。

初代 NVSwitch

NVSwitch设计为英伟达打造全无阻塞互联的GPU系统，对大规模并行处理应用至关重要，实现性能飞跃。

NVSwitch 互联

如上图，V100架构的GPU拥有6条NVLink通道，这些通道可连接至NVSwitch，构建高带宽通信网络。在DGX-2系统中，8个V100 GPU通过NVLink与6个NVSwitch相连，打造强大基板。

V100芯片基板

第一代NVSwitch引领潮流，采用NVLink 2.0技术，每个接口双通道设计，带宽高达50GB/s。这意味着整个系统可达到惊人的900GB/s总带宽，显著提升数据传输和计算效能。

NVSwitch，采用台积电12nm FinFET FFN工艺制造，凭借此尖端技术，在仅100W功耗下运行，并成功集成了高达2亿晶体管。

NVSwitch在电路IO和封装领域，采用大型BGA芯片，拥有1940个引脚。其中，576个引脚专为支持18路NVLink而设计。其余引脚用于电源及各类I/O接口，如x4 PCIe管理端口、I2C、GPIO等，为系统提供卓越的管理和扩展功能。

其具体的参数如下表所示：

NV Switch参数

初代 NVSwitch Block

NV Switch Block

如上图所示，GPU XBAR是一款高度专业化的桥接设备，专为NVLink互连环境量身定制。它能够实现数据包在多个GPU之间的流动和交换，同时对外呈现为单个GPU。借助GPU XBAR，客户端应用程序能够充分利用多个GPU的聚合性能，从而降低客户端在GPU间通信管理方面的复杂性。

GPU XBAR采用基于静态随机存取存储器（SRAM）的缓冲技术，实现了无阻礙的数据流传送。此技术确保了数据的连续性和效率，即使在重载状态下也能维持卓越性能。

NVIDIA从V100 GPU开始，再次引入NVLink的IP块和XBAR设计。这一创新不仅确保了各代产品间的无缝对接，也助力NVLink技术的持续升级与优化，同时大幅削减了研发成本和周期。

NV Switch 物理内存共享

在编程世界中，开发者常与虚拟地址打交道。这些地址由操作系统抽象管理，为各程序提供独立空间。然而，物理内存中数据实际以物理地址存储，它直接指向内存位置，是数据访问基础。虚拟至物理地址的转换，通常由GPU核心或固定功能单元（如内存管理单元）完成。

在利用NVLink传输数据时，如图所示，它依赖的是物理地址而非虚拟地址。这是由于物理地址能直接定位数据的实际存储地点，从而提升数据的检索和访问效率。

NVSwitch，作为NVLink的连接桥梁，不仅提供高带宽通信通道，还管理复杂的路由和缓冲机制。通过物理地址进行NVLink通信，减少在目标GPU上的地址转换需求，降低延迟，提升数据传输速度。这为高性能计算和AI应用——需快速处理大量数据的领域，带来显著优势。

NVSwitch 简化原理与特性

1. 无NVSwitch的直接GPU间连接

无NVSwitch的直接GPU间连接

如图所示，在无NVSwitch配置下，GPU间的连接主要依靠将NVLinks聚合为多个组（Gang）实现。这即表示，多个GPU可通过共享的NVLink链路进行通信。

1. 引入NVSwitch后的改进

引入NVSwitch后的改进

NVIDIA的NVSwitch技术，为GPU间的通信带来革命性突破。作为高速交换机，它让所有链路数据自如交互，开启新的可能。

在NVSwitch架构下，任意两个GPU间均可直接通信，只要总带宽不超过六条NVLink，即可实现单GPU的无阻传输。这揭示了NVSwitch全互联架构的扩展性：轻松增加更多GPU，而性能不受影响。每个GPU都能通过NVLink获取高带宽，快速完成数据交换。

NVSwitch在解决多GPU间的互联有以下优势和特性：

1. 扩展性与可伸缩性：

NVSwitch的引入，为GPU集群的扩展性注入强大动力。仅需添加更多NVSwitch，系统便能轻松容纳更多GPU，实现计算能力的倍增提升。

1. 高效的系统构建：

例如，三个NVSwitch可连接八个GPU，构建出高效互联网络。这种设计让数据在各GPU链路间自由流通，极大提升了数据的灵活性和传输效率。

1. 全双向带宽利用：

在此配置下，任意两个GPU都能共享高达300GBps的双向带宽进行通信。这确保了高速、低延迟的数据交换，从而显著加速了计算任务的处理速度。

1. 无阻塞通信：

NVSwitch的交叉开关（XBAR）为数据流提供了点A至点B的独特通道，确保无阻、无干扰的通信过程。此设计提升了数据传输的稳定性与系统性能，实现高效可靠的信息传输。

1. 优化的网络拓扑：

NVSwitch为大型GPU集群的构建带来优化解决方案，支持灵活配置的多种网络拓扑结构。设计者可根据具体计算需求，巧妙调整GPU间的连接方式。

第三代 NVSwitch

第三代 NVSwitch

从上图可洞察，第三代 NVSwitch 采用 TSMC 的先进 4N 工艺打造，其卓越之处在于在晶体管数量庞大、带宽高的情况下，仍能实现低功耗运行。配备64个NVLink 4链路端口，这款产品助力构建包含众多GPU的复杂网络，同时确保各GPU之间的高速通信无阻。更值得一提的是，其全双工带宽高达3.2TB/s，显著提升数据传输速率，让大规模数据集的并行处理更加高效迅捷。

第三代NVSwitch不仅支持连接服务器内的多张GPU卡，还能通过外延扩展构建完整的GPU高速集群。利用此款NVSwitch芯片打造的物理交换机，可轻松组建高达256块H100 GPU集群，实现57.6TB/s的卓越总带宽。

信号技术方面，我们采用了先进的50 Gbaud PAM4信号技术，每个差分对提供高达100 Gbps的带宽。这确保了高速传输和低延迟特性，为您带来卓越的体验。

NVSwitch，一款集成了NVIDIA SHARP技术的设备，拥有all_gather、reduce_scatter以及broadcast atomics等操作功能。它为集群通信提供了硬件加速，从而显著提升性能表现。此外，NVSwitch 3.0的物理电气接口与400 Gbps以太网和InfiniBand完美兼容，确保了与现有网络技术的无缝互操作性。

第三代 NVSwitch Block

NVIDIA第三代NVSwitch引入创新特性，新SHARP模块与NVLink模块的加入，为GPU间高效通信和数据处理带来显著性能提升，如图展示。

• 新SHARP模块

智慧之选——新登场的SHARP模块，犹如一位睿智的指挥官，以其卓越的数据处理能力引领着数据的交响乐。它不仅支持多种运算符，从逻辑到算术，无所不能，还兼容FP16和BF16等多元数据格式，为AI与机器学习工作负载注入强大动力。

SHARP控制器设计巧妙，能并行管理多达128个SHARP组，犹如千手观音般同时处理众多任务，大幅提升数据并行处理效率。让大规模数据处理任务如同行云流水，一气呵成，轻松应对各种挑战。

NVSwitch的交叉开关（XBAR）经过精细调整，与SHARP模块的数据传输需求完美契合。这种协同设计如同精密编织的网络，确保GPU间数据传输的高效和低延迟，使系统性能如骏马奔腾，势不可挡。

• 新NVLink模块

新NVLink模块的整合，犹如坚固的盾牌，为数据和芯片提供双重保护，有效抵御未授权访问及潜在信息泄露，从而大大增强系统的数据安全性。而端口分区功能则如同棋手运筹帷幄，将各端口独立隔离到NVLink网络中，赋予系统更高的灵活性。此设计允许在各网络间进行资源的逻辑划分，优化了多任务处理效能。

控制器对下一代Octal Small Formfactor Pluggable（OSFP）电缆的支持，为未来网络扩展铺设了坚实基石。这种电缆具备高传输速率和低信号衰减特性，适用于长距离高速通信，为未来网络拓展带来无限可能。

新NVLink模块增强了遥测功能，助力系统管理员精准监控和优化网络性能，确保系统稳定运行。集成的前向纠错（FEC）技术犹如一位警觉的守护者，显著提升数据传输的可靠性。面对信号衰减或干扰，它确保数据的完整性和准确性无虞。

IB网络 vs NVLink网络

H100 GPU通过NVLink网络，其速度较A100 GPU的IB网络有了显著提升。以下是DGX A100 256 POD与DGX H100 256 POD的带宽对比：

"探索DGX A100的无限可能：单台A100内部性能高达2400 GB/s，汇聚32台A100 GPU，总计256块强大核心。每台服务器通过8张200Gbps HDR网卡连接，实现高速数据传输。借助TOR交换机的4:1收敛比，整体性能飙升至6400 GB/s，为您的计算需求提供无与伦比的强大动力。"

在DGX H100的内部，每秒可处理的数据量为3600 GB/s。如果使用32个这样的设备，并且收敛比为2：1，那么总的处理速度将达到惊人的57600 GB/s。这就意味着，无论是处理大规模的数据，还是进行复杂的计算任务，DGX H100都能轻松胜任。

与DGX A100相比，DGX H100的带宽提升显著，单节点可实现1.5倍带宽增长和3倍双向带宽提升。若采用32个DGX H100，分带宽将激增9倍，双向带宽更可提升至4.5倍。

小结

在数据驱动的当今时代，高性能计算需求如潮水般翻涌，不断挑战技术极限。NVIDIA的NVSwitch技术，作为GPU间通信的桥梁，凭借卓越性能和创新设计，成为构建高效能计算集群的核心要素。从初代NVSwitch诞生到第三代NVSwitch革新，每一步都展现了NVIDIA在追求极致计算效率上的坚定决心。

NVSwitch不仅优化了数据传输带宽和速度，还通过融合SHARP模块和NVLink模块，显著增强了数据处理能力和系统安全性。它的诞生，让多GPU系统能更高效协同，为人工智能、机器学习及大数据分析等领域的迅猛发展注入强大动力。

随着科技日新月异，NVSwitch在高性能计算领域的主导地位将更加稳固。它不仅是NVIDIA创新实力的璀璨标志，更是推动整个行业前行的强大引擎。在NVSwitch的照耀下，我们翘首期盼一个更智能、更高效、更互联的未来。

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