NVIDIA NVLink概述：极速连接技术详解

NVLink是一种解决服务器内GPU之间通信限制的协议。与传统的PCIe交换机不同，NVLink带宽有限，可以在服务器内的GPU之间实现高速直接互连。第四代NVLink提供更高的带宽，每条通道达到112Gbps，比PCIe Gen5通道速率快三倍。

NVLink旨在为GPU直接互连提供简化、高速、点对点的网络，相比传统网络减少了开销。通过在不同层次提供CUDA加速，NVLink减少了与通信相关的网络开销。NVLink随着GPU架构的演进不断发展，从P100的NVLink1到H100的NVLink4，如图所示。NVLink 1.0、NVLink 2.0、NVLink 3.0和NVLink 4.0之间的关键区别在于连接方式、带宽和性能。

NVSwitch芯片是一种物理芯片，类似于交换机ASIC，可通过高速的NVLink接口连接多个GPU，提高服务器内的通信和带宽。第三代NVIDIA NVSwitch可支持以900 GB/s的速率互连每对GPU。

NVSwitch3芯片具有64个NVLink4端口，提供总共12.8 Tbps的单向带宽或3.2 TB/s的双向带宽。NVSwitch3芯片的独特之处在于其集成了SHARP功能，对多个GPU单元的计算结果进行聚合和更新，减少网络数据包并提高计算性能。

NVLink服务器采用NVLink和NVSwitch技术连接GPU，通常可在英伟达（NVIDIA）的DGX系列服务器或具有类似架构的OEM HGX服务器中找到。这些服务器利用NVLink技术，提供出色的GPU互联性、可扩展性和高性能计算能力。2022年，英伟达（NVIDIA）宣布推出第四代NVIDIA® DGX™系统，这是世界上首个采用新的NVIDIA DGX H100服务器构建的AI平台。

因此，NVLink服务器在科学计算、人工智能、大数据处理和数据中心等关键领域已经变得不可或缺。通过提供强大的计算能力和高效的数据处理，NVLink服务器不仅满足了这些领域的严格要求，还推动了这些领域的进步和创新。

2022年，英伟达（NVIDIA）将NVSwitch芯片独立出来，并制作成NVLink交换机，用于连接主机之间的GPU设备。它采用了1U尺寸设计，具有32个OSFP端口；每个OSFP端口包含8个112G PAM4通道，每个交换机内置2个NVSwitch3芯片。

NVSwitch物理交换机将多个NVLink GPU服务器连接成一个大型Fabric网络，即NVLink网络。解决了GPU之间的高速通信带宽和效率问题。每个服务器都有独立的地址空间，为NVLink网络中的GPU提供数据传输、隔离和安全保护。当系统启动时，NVLink网络通过软件API自动建立连接，并可以在运行过程中更改地址。

该图比较了NVLink网络与传统以太网网络，演示了如何创建独立于IP以太网并专用于GPU服务的NVLink网络。

概念

传统实例

NVLink网络

物理层

400G电/光介质

定制固件 OSFP

数据链路层

以太网

NVLink定制芯片上的硬件和固件

网络层

IP

新NVLink网络寻址和管理协议

传输层

TCP

NVLink定制芯片上的硬件和固件

会话层

Socket

SHARP组 CUDA导出数据结构的网络地址

应用层

HTTP/FTP

AI框架或用户应用程序

网卡

PCIe网卡 (网卡或芯片)

嵌入在GPU和NVSwitch中的函数

RDMA卸载

网卡卸载引擎

GPU内部复制引擎

InfiniBand网络和NVLink网络是在高性能计算和数据中心应用中使用的两种不同的网络技术。它们有以下区别：

架构和设计：InfiniBand网络是一种采用多通道、高速串行连接的开放标准网络技术，支持点对点和多播通信。NVLink网络是由英伟达（NVIDIA）开发的专有技术，旨在实现GPU之间的高速直连。

应用场景：InfiniBand网络广泛应用于高性能计算集群和大规模数据中心。NVLink网络主要用于大规模GPU集群、HPC、人工智能等领域。

带宽和延迟：InfiniBand网络提供高带宽和低延迟的通信，提供更高的吞吐量和更短的传输延迟。NVLink网络为GPU之间提供更高的带宽和更低的延迟，以支持快速数据交换和协同计算。以下是使用NVLink网络的H100和使用InfiniBand网络的A100之间的带宽比较。

NVIDIA NVLink作为一项开创性的技术，彻底改变了高性能计算和人工智能领域。它能够增强GPU之间的通信，提高性能，并实现无缝的并行处理，成为众多高性能计算和人工智能应用中不可或缺的组成部分。随着先进计算领域的不断发展，NVLink的重要性和影响力将不断扩大，推动技术创新。