北京2023年10月25日 /美通社/ -- 人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等各類數(shù)字技術(shù)正在交織構(gòu)建一個(gè)全新的虛擬空間，生產(chǎn)、流通、科學(xué)、教育、娛樂、社交等等無不因此而變。在技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，新的數(shù)字文明正勃然而興，突飛猛進(jìn)的算力變革則是這次文明迭代的重要驅(qū)動(dòng)力之一。自計(jì)算機(jī)問世以來，在短短的70余年的時(shí)間內(nèi)，其性能從最初的每秒5000次運(yùn)算發(fā)展到如今超級(jí)計(jì)算機(jī)的每秒百億億次計(jì)算，性能激增數(shù)百萬億倍。即便如此，面對(duì)蓬勃興起的生成式人工智能、元宇宙等技術(shù)，算力缺口依然巨大。
在浪潮信息，有這樣一群工程師們，他們?cè)诤闷嫘牡尿?qū)動(dòng)下，通過各種方式尋找算力提升的路徑，無論進(jìn)步大小，自豪感都在驅(qū)使著他們繼續(xù)探索未知，甚至像一個(gè)科學(xué)家一樣琢磨各種跨界的技術(shù)，并用于解決各類工程難題。他們具有發(fā)散的思維，也有著聚焦的能力，憑借對(duì)算力創(chuàng)新的熱情與追求，不斷拓展數(shù)字文明的邊界……。
112Gbps高速互連，服務(wù)器設(shè)計(jì)的“藝術(shù)”
Yang Yang，浪潮信息AI服務(wù)器工程師大軍中的一員，他所在的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)進(jìn)行AI服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)的研發(fā)工作，其中的關(guān)鍵是——設(shè)計(jì)開發(fā)出一款具備超高速互連性能的開放加速基板。
“以前，我們?cè)趶?qiáng)調(diào)怎么樣去提高單顆芯片的算力。但是到了大模型時(shí)代，模型訓(xùn)練動(dòng)輒成千上萬張卡，單張芯片已經(jīng)完全無法承載。在新的AI超級(jí)計(jì)算機(jī)形態(tài)下，什么樣的互連架構(gòu)才能更好的支撐大模型業(yè)務(wù)發(fā)展，是我們重點(diǎn)研究的一個(gè)課題?！?/span>Yang Yang認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)數(shù)千乃至上萬顆芯片互連并讓它們能夠高效協(xié)同工作的前提，是解決單個(gè)服務(wù)器內(nèi)部芯片的高速直連，這是一切問題的“原點(diǎn)”。
在他們團(tuán)隊(duì)的努力下，浪潮信息定義了業(yè)界第一個(gè)符合OAM（開放加速模塊）規(guī)范的8卡互連AI系統(tǒng)，這是一個(gè)遵循開放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的互連的基板，首次達(dá)到了業(yè)界最高的單通道速率56Gbps。這個(gè)基板的厚度僅為3.26mm，層數(shù)卻高達(dá)22層，包含了近1000個(gè)高速互連差分對(duì)。
目前，56Gpbs仍然是開放加速規(guī)范下芯片互連的最高速率。Yang Yang表示：“下一步，我們將沖刺112Gbps單通道的高速互連通信，這種級(jí)別的速度提升，就相當(dāng)于我們從5G時(shí)代跨步進(jìn)入了6G時(shí)代。”
112Gbps 高速互連技術(shù)難點(diǎn)在于，在物理尺寸近乎不變的情況下，要將GPU間的互連速率提升一倍，需要犧牲信噪比。而信噪比的降低帶來的影響是巨大的，意味著112Gbps信號(hào)對(duì)于抖動(dòng)和噪聲的敏感程度更為強(qiáng)烈，即對(duì)于信道的串?dāng)_、SCD（信號(hào)在通過該通道時(shí)的差分能量變?yōu)楣材Ｄ芰康哪B(tài)轉(zhuǎn)化量，越低越好。）、PN Skew（內(nèi)外線路不等長造成的傳輸差異）、ILD（損耗，線損/阻抗的影響程度，即漂移度）等指標(biāo)的要求都更為嚴(yán)苛。
這不僅需要更高端的材料支撐，更考驗(yàn)設(shè)計(jì)的“藝術(shù)”。要知道，3-5mm厚度的基板實(shí)際上是采用疊層設(shè)計(jì)，往往包含了十幾層甚至幾十層PCB板（印刷電路板），每層厚度僅有100微米左右，與一張A4紙相當(dāng)。而為了保證信號(hào)傳輸質(zhì)量，每組線路均需要采用差分對(duì)設(shè)計(jì)，即采用長度相等、相位相反的互補(bǔ)信號(hào)來傳輸同一個(gè)信號(hào)，以減少噪音和EMI（電磁干擾），這將使得布線量增加一倍，對(duì)于本就信號(hào)布線密度近乎極限的基板來說，無疑是雪上加霜。并且，差分對(duì)走線的寬度和間距必須始終保持一致，當(dāng)在基板上的障礙物，如過孔或較小的器件周圍布線時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)能力的要求更高。
因此，112Gbps高速互連設(shè)計(jì)不僅需要尋找更低損耗的樹酯、玻璃纖維及更平滑的銅箔，同時(shí)也要確保這些材料在加工之后能夠符合可靠度的規(guī)范，設(shè)計(jì)與工藝復(fù)雜度極高。
在Yang Yang看來，112Gpbs高速互連技術(shù)既需要科學(xué)的發(fā)散，也要做到工程的收斂：通過科學(xué)的發(fā)散尋找創(chuàng)新的可能性，通過工程的收斂尋找“可行性”。創(chuàng)新的可能性空間包括了材料、工藝、方法、管理運(yùn)營等等，而可行性則是尋找“最大化或最小化”，是尋找最優(yōu)解的過程，“就像談到利潤，我們往往都會(huì)追求利潤最大化而成本最小化，最大化與最小化在很多時(shí)候是統(tǒng)一的，目標(biāo)是一致的?！?/span>
Yang Yang團(tuán)隊(duì)所從事的工作能夠惠及數(shù)以百計(jì)的芯片創(chuàng)新公司以及更多數(shù)量的用戶：借助標(biāo)準(zhǔn)化的、性能出色的開放加速基板，芯片公司可以快速的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品落地并持續(xù)迭代，而用戶則可以使用統(tǒng)一的、開放的基礎(chǔ)架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置不同類型的AI加速芯片，加快創(chuàng)新和創(chuàng)造更好的用戶體驗(yàn)。
聽音降噪，服務(wù)器優(yōu)化的“浪漫”
一臺(tái)服務(wù)器需要整合超過10000個(gè)零部件，其中包括50多類專用芯片；同時(shí)還涉及30多個(gè)技術(shù)方向，例如材料學(xué)、熱力學(xué)、電池技術(shù)、流體力學(xué)、化學(xué)等一系列學(xué)科；此外，一臺(tái)服務(wù)器里還會(huì)應(yīng)用超過100種傳輸協(xié)議。在制造中，服務(wù)器需要經(jīng)歷30多道流程，使用100多種加工和制造工藝，并對(duì)200多個(gè)關(guān)鍵過程的控制點(diǎn)進(jìn)行把控。
如何確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，是一項(xiàng)非常精細(xì)且復(fù)雜的工程，每一個(gè)細(xì)節(jié)都關(guān)乎整體，甚至連聲音，也會(huì)影響到服務(wù)器的可靠性。四五年前，相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)中心用戶幾乎都遇到了同一個(gè)問題：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，硬盤越有可能出現(xiàn)性能波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)直接掉線。
“最開始以為振動(dòng)是罪魁禍?zhǔn)?，后來才發(fā)現(xiàn)聲音才是始作俑者?！?/span>浪潮信息結(jié)構(gòu)工程師Cathy Wang以女性特有的敏銳，創(chuàng)造出一種獨(dú)屬于工程師的“浪漫”——聽音降噪。
團(tuán)隊(duì)針對(duì)硬盤性能失效問題做了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音一旦達(dá)到120分貝，極易造成硬盤磁頭偏移、讀寫效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致扇區(qū)失效乃至硬盤報(bào)廢、服務(wù)器宕機(jī)?！霸诮Y(jié)構(gòu)的領(lǐng)域來說有一個(gè)不可調(diào)和的矛盾，就是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速提高之后，它的噪音會(huì)向高頻段以及大聲壓這個(gè)方向去發(fā)展，而且它是這個(gè)聲音和轉(zhuǎn)速是成5次方的關(guān)系在增長的，所以我們看到一個(gè)非常明確且快速的風(fēng)扇的噪音增長的趨勢。這個(gè)風(fēng)扇和硬盤之間的沖突的問題，如何站在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，建立硬盤敏感度模型，成為業(yè)界廠商探討的難點(diǎn)。”Cathy Wang介紹說。
不過，雖然找到了問題的根源，但解決問題的過程依然曲折。在嘗試過正弦波、1/3倍頻程等走不通的路徑后，Cathy Wang所在的團(tuán)隊(duì)才找到了最合適的噪音帶寬，并以混頻、掃頻的模式模擬出多樣化的噪聲源，能夠測量硬盤在500Hz~10000Hz噪音刺激下的共振頻率和聲壓閥值?；诖罅繖C(jī)理性研究和測試，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)硬盤性能損失與聲壓強(qiáng)度間的數(shù)學(xué)規(guī)律，構(gòu)建出業(yè)界首個(gè)硬盤敏感度模型，量化出不同硬盤受到各類噪聲影響后的性能表現(xiàn)。
“我們希望通過我們的研究工作，讓性能優(yōu)化從經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)變?yōu)榭茖W(xué)主導(dǎo)，借助于不斷完善的基礎(chǔ)理論、工具與方法，針對(duì)特定問題形成標(biāo)準(zhǔn)方案并設(shè)計(jì)出新的可復(fù)用知識(shí)?！?/span>Cathy Wang說道。
服務(wù)器里聲音的“黑盒子”就這樣被打開了。在確定機(jī)箱內(nèi)真正影響硬盤工作的噪音頻譜的基礎(chǔ)上，浪潮信息的工程師對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)展開全方位的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先從噪聲振動(dòng)的源頭入手，通過CFD流體動(dòng)力學(xué)仿真改進(jìn)風(fēng)扇的葉片形態(tài)，抑制扇葉表面因渦流脫落形成的高頻噪音；其次，在機(jī)箱內(nèi)通過設(shè)計(jì)40多種歌院式的消音結(jié)構(gòu)，有效消除特定的高頻噪聲；此外，還對(duì)硬盤固件中的伺服控制算法進(jìn)行調(diào)整，讓硬盤磁頭的噪聲共振擺動(dòng)控制在10納米以內(nèi)，在提升讀寫效率、性能翻倍的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器安全運(yùn)行。
融合架構(gòu)3.0，服務(wù)器架構(gòu)的“夢想”
大模型時(shí)代，當(dāng)在單機(jī)上獲得較高算力效率之后，能不能在幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)、幾千塊卡保持相對(duì)線性的性能擴(kuò)展比，已經(jīng)成為算力集群系統(tǒng)設(shè)計(jì)和并行策略設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵性因素。在傳統(tǒng)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)中，處理器橫向擴(kuò)展一直是難以突破的瓶頸，尋找新的出路勢在必行。
浪潮信息體系結(jié)構(gòu)工程師Lorne Ci 認(rèn)為：“傳統(tǒng)服務(wù)器是把所有的IT資源放到一個(gè)服務(wù)器里面。如果需要更多算力、更多內(nèi)存、更多IO的話，需要把服務(wù)器去做疊加，像我們通常意義上一個(gè)大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心可能有十幾萬臺(tái)，甚至有幾十萬臺(tái)服務(wù)器。但簡單的堆疊只能堆出各種形態(tài)和規(guī)格的服務(wù)器，這對(duì)數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力的提升，并沒有實(shí)質(zhì)性的幫助。需要把服務(wù)器IT資源都做成池化的形態(tài)，然后通過軟件定義的方式來實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配?！?/span>
因此，Lorne Ci 團(tuán)隊(duì)研究的方向是，創(chuàng)造一種新的體系架構(gòu)，將硬件設(shè)備中的同類資源整合成一個(gè)資源池，不同的設(shè)備能夠任意的整合，再通過軟件動(dòng)態(tài)感知業(yè)務(wù)的資源需求，利用硬件重組的能力來滿足各類應(yīng)用的需要。
浪潮信息將這種新的體系架構(gòu)命名為“融合架構(gòu)”，早在2014年就提出這一技術(shù)理念，核心在于通過硬件解耦實(shí)現(xiàn)資源的物理池化和動(dòng)態(tài)重構(gòu)，通過軟件定義實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)感知的按需資源組合與配置，滿足系統(tǒng)的彈性伸縮和超大規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)軟硬高度協(xié)同發(fā)展。浪潮信息將融合架構(gòu)的發(fā)展劃分為三個(gè)階段，分別為“服務(wù)器即計(jì)算機(jī)(Server as a Computer)” ，“機(jī)柜即計(jì)算機(jī)(Rack as a Computer)”以及最終的“數(shù)據(jù)中心即計(jì)算機(jī)(Data Center as a Computer)”。
目前融合架構(gòu)3.0原型系統(tǒng)已經(jīng)研制成功，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、內(nèi)存資源、異構(gòu)加速資源等核心IT資源徹底解耦與池化，支持池化資源異步升級(jí)、支持細(xì)粒度多主機(jī)共享高并發(fā)存儲(chǔ)、亞微秒級(jí)遠(yuǎn)端內(nèi)存共享訪問等特性，可通過軟件定義實(shí)現(xiàn)“一套系統(tǒng)，N類應(yīng)用”。
融合架構(gòu)3.0最核心的就是要做到內(nèi)存資源池的池化與算力資源池的池化。而如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程內(nèi)存的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)低延時(shí)的快速響應(yīng)，如何實(shí)現(xiàn)緩存一致性……都是內(nèi)存池化面臨的重大挑戰(zhàn)。Lorne Ci 介紹說，“現(xiàn)在融合架構(gòu)基于許多開放總線技術(shù)，包括PCIE、CXL等等，共同構(gòu)建一個(gè)大內(nèi)存系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)高速高性能的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于參數(shù)量和數(shù)據(jù)量激增的大模型訓(xùn)練有著巨大價(jià)值?！?/span>
伴隨著融合架構(gòu)3.0原型系統(tǒng)的研制成功，浪潮信息在融合架構(gòu)領(lǐng)域完成了重要的突破，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)柜級(jí)別的計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)與互聯(lián)等各種IT資源的池化。其中，內(nèi)存解耦實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)的遠(yuǎn)端內(nèi)存訪問，并構(gòu)建出了一種邏輯上可遠(yuǎn)端共享的內(nèi)存資源池。這種變化讓多臺(tái)主機(jī)可以訪問同一個(gè)內(nèi)存池，并最終大幅提高了數(shù)據(jù)交換的效率。新的架構(gòu)打破了現(xiàn)有服務(wù)器的邏輯架構(gòu)與應(yīng)用模式。它以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為中心，可以讓數(shù)據(jù)中心從資源驅(qū)動(dòng)型向業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)變。面向云計(jì)算和人工智能等不同場景，這種新的架構(gòu)和新的組合方式，讓數(shù)據(jù)中心真正實(shí)現(xiàn)了，用一套系統(tǒng)去支撐多類應(yīng)用。
在如今這個(gè)逐漸成型的數(shù)字文明時(shí)代，計(jì)算已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。不論是在家庭中，商業(yè)世界，還是科學(xué)研究領(lǐng)域，計(jì)算技術(shù)都無處不在，這已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。然而，我們必須認(rèn)識(shí)到，這只是數(shù)字文明的起點(diǎn)，計(jì)算的重要性將在未來進(jìn)一步凸顯。算力創(chuàng)新將成為數(shù)字文明中的火種，它將不斷照亮前行的道路。正如昔日的拓荒者冒險(xiǎn)前行以開辟新的大陸，今天無數(shù)的"算力拓荒人"將持續(xù)引領(lǐng)我們進(jìn)入數(shù)字時(shí)代的新境界。這些先鋒者將科學(xué)與工程融合，將"知"與"行"完美結(jié)合，以探索廣闊而充滿想象的未知之地。
在這條通往數(shù)字文明的開拓之路上，充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我們需要更多具備跨學(xué)科知識(shí)的"知行合一"的研發(fā)人員，科技工作者，去通過一系列前所未有的解決方案，將計(jì)算創(chuàng)新推向新的高度，使其持續(xù)閃耀，帶領(lǐng)我們走向數(shù)字文明的下一個(gè)巔峰。
