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拆开“超节点”的伪装:没有内存统一编址,仍是服务器堆叠

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当万亿参数的多模态大模型成为一种常态,AI行业的“军备竞赛”早已转向:不再只是卷模型参数、堆叠服务器,而是深入底层计算架构,开启了一场“系统级对决”。

“超节点”由此成为计算产业的“新宠”。

截止到目前,国内已经有十多家企业推出了“超节点”,动作上却出现了“变形”:似乎只要把几十台服务器塞进一个机柜,用光纤连接在一起,就能贴上“超节点”标签,对外宣称打破了摩尔定律。

在对比多款“超节点”的技术逻辑后,我们发现了一个残酷的技术真相:倘若无法实现“内存统一编址”,所谓的“超节点”多少有些“李鬼冒充李逵”的嫌疑,本质上还是传统服务器的堆叠架构。

01 为什么需要超节点?根源在于“通信墙”

让我们先回到原点:为什么在互联网时代用了二十多年的Scale Out集群架构,在大模型时代却行不通了?

中国信通院在几个月前发布的《超节点发展报告》中已经给出了答案,将原因形象地归纳为“三堵墙”:

第一个是通信墙,在大模型训练场景中,通信频次随模型层数和并行度呈指数级增长,微秒级的协议栈延迟在万亿次迭代中累积,将导致计算单元长时间处于等待状态,直接限制算力利用率。

第二个是功耗与散热墙,为了解决延迟和等待,工程师们不得不绞尽脑汁提升算力密度,尽可能在一个机柜里塞更多的计算单元,代价则是恐怖的散热压力和供电挑战。

第三个是复杂度墙,“大力出奇迹”的硬件堆砌,让集群规模从千卡推向万卡乃至十万卡,但运维复杂度同步提升。在大模型训练过程中,每隔几个小时就要处理一次故障。

摆在面前的现实挑战是,大模型正从单模态走向全模态融合,上下文长度达到了兆级、训练数据高达100TB、金融风控等场景的时延要求小于20毫秒……传统计算架构已经是肉眼可见的瓶颈。

想要满足新的算力需求,打破“通信墙”注定是绕不过的一环。除了堆叠服务器,是否还有其他路径呢?

先来梳理下产生“通信墙”的技术原理。



在传统集群架构中,遵循的是“存算分离”与“节点互联”原则,每一块GPU都是一座孤岛,拥有自己独立的领地(HBM显存),并且只听得懂“本地话”,需要访问隔壁服务器的数据时,必须走一套繁琐的“外交程序”:

步骤一是数据搬移,发送端将数据从HBM拷贝到系统内存;

步骤二是协议封装,将数据切片封装TCP/IP或RoCE报文头。

步骤三是网络传输,数据包经过交换机路由至目标节点。

步骤四是解包与重组,接收端进行协议栈解析并剥离报文头。

步骤五是数据写入,数据最终写入目标设备的内存地址。

这个过程的学术名词是“序列化-网络传输-反序列化”,存在几毫秒的延迟。在处理网页请求时,这种延迟不会影响到用户体验。但在大模型训练中,模型被切分成成千上万块,每一层神经网络的计算都需要在芯片间进行极高频次的同步。就像做一道数学题时,每写一个数字都要给隔壁同学打电话确认一下,解题效率可以说“惨不忍睹”。

业界针对性地提出了“超节点”的概念,并规定了三个硬性指标——大带宽、低时延、内存统一编址。



前两个概念不难理解,简单来说就是路修宽点(大带宽),车跑快点(低时延),最核心、最难实现的恰恰是“内存统一编址”:目标是构建一个全局唯一的虚拟地址空间,集群内所有芯片的内存资源被映射成一张巨大的地图,不管数据是在自己的显存里,还是在隔壁机柜的内存里,对于计算单元来说,只是一个地址的区别。

同样是做一道数学题时,不用给隔壁同学“打电话”,而是直接“伸手”拿数据。“序列化与反序列化”开销被消除了,“通信墙”不复存在,算力利用率也就有了提升空间。

02 内存统一编址难在哪?通信语义“代差”

既然“内存统一编址”被证实是正确路径,为什么市面上的某些“超节点”,依然停留在服务器堆叠?

不单单是工程能力的差距,还在于“通信语义”的代际差,涉及到通信协议、数据所有权和访问方式。

目前有两种主流的通信方式。



一种是面向分布式协作的消息语义,通常由发送和接收操作体现,工作方式像“寄快递”。

假设要传递一本书,得先把书打包封箱(构建数据包)、填写快递单写上对方的地址和电话(IP地址、端口)、叫快递员送到物流中心(交换机)、对方收到快递后拆箱拿出书(解包)、最后对方还得回复“收到了”(ACK确认)。

一套流程下来,即使快递跑得再快(大带宽),打包、拆包和中间流转的时间(延迟和CPU开销)也是省不掉的。

另一种是面向并行计算的内存语义,通常由加载和存储指令体现,工作方式像“从书架上拿书”。

同样是传递一本书,直接走到公共书架旁,伸手拿下来(Load指令),并在看完后放回去(Store指令)。没有打包,没有填单子,没有“中间商赚差价”,效率上的提升不言而喻。

诸如TCP/IP、InfiniBand、RoCE v2等支持消息语义,也是通信墙存在的直接诱因,但灵衢、NVLink等协议已经支持内存语义。既然如此,为什么“伪超节点”仍然做不到内存统一编址呢?

因为内存语义的皇冠明珠是“缓存一致性”:如果节点A修改了共享内存地址0x1000的数据,而节点B的L2缓存中存有该地址的副本,必须确保节点B的副本立即失效或更新。

想要实现“内存语义”,必须满足两个条件:

首先是通信协议和缓存一致性。

通信协议传输的不再是笨重的“数据包”,而是包含内存地址、操作码(读/写)和缓存状态位的“Flit”。同时还需要缓存一致性协议,通过总线广播一致性信号,确保所有计算单元看到的信息是相同的。

其次是充当“翻译官”的交换芯片。

交换芯片扮演了“翻译官”的角色,让CPU、NPU/GPU等设备在统一的协议下互联互通,整合为一个统一的全局地址空间,不管数据存在哪块内存里,都只有一个“全局地址”,CPU、NPU/GPU之间可以直接通过地址访问。



无法满足上述条件的“伪超节点”,大多采用的是PCIe+RoCE协议互联方案,属于典型的“大字吸睛、小字免责”。

RoCE跨服务器内存访问需要RDMA,不支持统一内存语义、缺乏硬件级的缓存一致性,依然需要网卡、队列、门铃机制来触发传输,本质上还是在“寄快递”,只是快递员跑得快了一点。而PCIe的理论带宽单lane为64GB/s,比超节点的带宽要求低了一个数量级。

结果就是,以“超节点”的名义宣传,却不支持内存统一编址,无法做到全局的内存池化以及AI处理器之间的内存语义访问。集群只能实现“板卡级”的内存共享(比如单机内8张卡互通),一旦跨出了服务器节点,所有访存都需要通过消息语义通信,在优化上存在明显瓶颈。

03 超节点有何价值?大模型的完美“搭子”

可能有不少人会问,费这么大劲搞“内存统一编址”,到底有什么用,仅仅是为了技术上的“洁癖”吗?

先说结论:内存统一编址绝非“屠龙之技”,在大模型训练和推理的实战中,已经被证实存在巨大收益。

第一个场景是模型训练。

在训练万亿参数的超大模型时,HBM容量往往是首要瓶颈。一张卡80GB显存,塞进模型参数和中间状态后,往往所剩无几。

当显存不够时,传统的做法是“Swap to CPU”——利用PCIe把数据搬到CPU的内存里暂存。但存在一个大问题:PCIe的带宽太低了,而且需要CPU参与拷贝。数据搬来搬去的时间,比GPU计算的时间还长,训练速度大幅下降。



在真正的超节点架构下,CPU的内存(DDR)和NPU的显存(HBM)都在同一个地址空间里,可以采用“以存代算”的策略精细管理内存:将暂时不用的数据或权重offload到CPU内存上,需要的时候通过“大带宽&低时延”的能力快速拉回片上内存激活,NPU的利用率可以提升10%以上。

第二个场景是模型推理。

在多轮对话中,每轮对话都需要Put和Get,Put将KV数据存入内存池,Get从内存池取KV数据,需要更大的KV Cache空间进行频繁的数据存储。

传统集群的KV Cache通常是绑定在单张卡的显存上的,如果用户问了一个超长的问题,节点A的显存被KV Cache撑爆了,附近的节点B即使显存空着,没有内存统一编址也无法借用,必须把任务重新调度、重新计算。



有了内存统一编址,就可以实现KV Cache的全局池化,并支持Prefix Cache复用(前缀缓存)。比如“System Prompt”通常是固定的,只需要在全局内存里存一份,所有节点都可以通过“一存多取”的方式直接读取。在PreFix Cache命中率100%时,集群的吞吐性能可以提升3倍。

第三个场景是推荐系统。

搜索、广告、推荐是互联网的“摇钱树”,依赖超大规模的Embedding表。由于Embedding表通常远超单机内存,必须分片存储在不同服务器上。

在推理过程中,模型需要频繁地从Host侧(CPU内存)或远端Device侧拉取特定的特征向量。如果是RoCE等“寄快递”的方式处理小包,光是打包拆包的开销就占了大头,导致严重的门铃效应,延迟居高不下。



而利用内存统一编址,配合硬件级的内存传输引擎,计算单元可以直接向远端内存发起读取指令,自动处理数据的搬运。当第一个向量还在路上时,第二个请求已经发出了,极大地降低了通信延迟,提升端到端的推荐效率,有望实现最小化开销。

不夸张地说,“大带宽、低时延、内存统一编址”三大能力相互协同,才能真正实现让集群像一台计算机一样工作,才能实现真正的超节点,才是大模型训练与推理的完美“搭子”,才是AGI时代算力基础设施进化的必然方向。缺少“内存统一编址”能力,终归只是在蹭“超节点”的流量。

04 写在最后

当我们拆开“超节点”的层层伪装,可以看到AI基础设施的竞争已经从单纯的堆砌硬件,上升到了体系结构的竞争。

“内存统一编址”这个听起来晦涩难懂的技术名词,某种程度上等同于通往下一代计算范式的入场券:作为“One NPU/GPU”的必备能力,打破了物理服务器的围墙,让成千上万颗芯片的“灵魂”融为一体。而那些仍然停留在“服务器暴力堆叠”的产品,终将被淹没在摩尔定律失效的洪流中。

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