網路定義 · 800G · RoCEv2

什麼是 AI 網路交換器?

AI 網路交換器是一種高埠基數(high-radix)的資料中心乙太網路交換器,每埠速率通常為 400G 或 800G,用於在 AI 後端 fabric 中連接 GPU 伺服器,並藉助 PFC、ECN 和動態負載平衡保持 RDMA 流量無損,因為最慢的資料流決定了訓練作業的耗時。 IP Infusion 開發執行這類交換器的網路作業系統 OcNOS-DC,並在 51.2 Tbps Broadcom Tomahawk 5 以及 25.6 Tbps 和 12.8 Tbps 平台上以經過驗證的完整系統形式交付。

51.2 TbpsTomahawk 5 平台
800G每台交換器 64 個埠
RoCEv2無損乙太網路傳輸
40+款合格平台

資料中心交換器成為 AI 交換器的條件

當交換器能夠以訓練叢集所需的速率、規模和丟包率承載 GPU 流量時,才稱得上 AI 交換器。它由五項特性區分開來。這些交換器所構成的網路請參閱 什麼是 AI fabric;本頁介紹的是交換器本身。

  • 埠速率與容量。 GPU NIC 以 400G 和 800G 接入,交換器埠必須與之匹配。51.2 Tbps 交換器提供 64 個 800G 埠;25.6 Tbps 交換器提供 64 個 400G 埠。
  • 埠基數(Radix)。 每台交換器的埠數決定一個 leaf 能服務多少 GPU、一個 spine 能連接多少 leaf,進而決定 fabric 需要多少層。層級越少,跳數、光模組和功耗就越少。
  • 無損傳輸。 GPU 之間透過融合乙太網路上的 RDMA(RoCEv2)交換資料,一旦丟包,效能會急劇下降。交換器需要優先順序流量控制(PFC)在佇列溢出前暫停該佇列,並需要明確壅塞通知(ECN)儘早提醒傳送端,與 NIC 上的 DCQCN 壅塞控制協同工作。
  • 負載均勻。 AllReduce 等集合通訊操作會產生少量非常大的資料流。靜態雜湊可能將其中兩條放到同一鏈路上,而另一條鏈路卻處於閒置。 動態負載平衡 將流量轉移到負載較低的路徑。
  • 可見度。 流式遙測 即時報告佇列深度、PFC 暫停和 ECN 標記,使維運人員能夠找到拖慢作業的那條鏈路。

AI 交換器在 AI 網路 fabric 中的位置

AI 資料中心同時執行四張網路,每張網路對交換器的要求各不相同。大多數人所說的 AI 交換器,指的是 GPU 後端 fabric 中的交換器。

GPU 後端 fabric

連接各伺服器上的 GPU NIC,用於訓練和推論。採用 rail 最佳化的 leaf 與 Clos spine ,速率為 400G 或 800G,端對端無損執行。埠速率和埠基數在這裡最為關鍵。

儲存網狀架構

為 GPU 伺服器提供訓練資料並回寫檢查點。通常也採用 RoCEv2 ,按持續頻寬而非 GPU 數量進行規劃。

前端網路

將叢集連接到使用者、編排系統和資料中心的其餘部分。通常是常規的 leaf-spine,並常藉助 EVPN-VXLAN 在 GPU 雲端中隔離租戶。

帶外管理

獨立的 1G 網路 ,用於控制台、伺服器管理控制器和交換器管理,使維運人員在資料平面繁忙或中斷時仍能存取每台設備。

在後端 fabric 內部,同一型號的交換器可以用作 rail leaf、spine 或 super-spine。rail 最佳化設計將伺服器中的每塊 GPU NIC 連接到不同的 leaf,使同序號 GPU 之間的流量只相隔一跳。拓撲決定角色; AI fabric 拓撲 與 rail 最佳化網路 介紹了這些設計。

AI 交換器的採購方包括 neocloud 和 GPU 雲端端服務供應商、大型企業資料中心和 MSP,以及在自有資料中心中增加 GPU 容量的服務供應商。

800G 還是 400G:按埠基數規劃 AI 交換器

交換器的埠數決定 fabric 在需要增加一層之前能擴展到多大。在無阻塞的兩層 leaf-spine 中,每個 leaf 將埠平均分配給 GPU 和 spine,每個 spine 埠連接一個 leaf。因此,一台擁有 k 個埠的交換器在兩層中可支援 k 的平方除以二個端點,在三層中可支援 k 的立方除以四個端點。

交換器容量全速率埠數兩層,無阻塞三層,無阻塞
51.2 Tbps64 個 800G2,048 個 800G 端點65,536 個 800G 端點
25.6 Tbps64 個 400G2,048 個 400G 端點65,536 個 400G 端點
12.8 Tbps32 個 400G512 個 400G 端點8,192 個 400G 端點
  • 這些是算術上限, 而非產品規模資料。實際設計會受到超額訂閱、每台伺服器的 rail 數、光模組傳輸距離和機架功率的影響。
  • 在相同埠基數下,800G 可在不增加層級的情況下使每個 GPU 的頻寬翻倍。這就是圍繞 800G NIC 建構的後端 fabric 採用 51.2 Tbps 交換器的原因。
  • IP Infusion 參考設計 適用於 rail 最佳化雙層和三層 fabric,按實際埠數量規劃,詳見 AI fabric 拓撲。設計之間如何取捨,請參閱 如何選擇 AI 網路 fabric.

經 OcNOS-DC 認證的 AI 資料中心交換器

OcNOS-DC 是 IP Infusion 適用於資料中心和 AI fabric 的網路作業系統。它執行於基於 Broadcom 晶片的開放交換器,下列每個平台均列於 OcNOS 硬體相容性清單,該清單共涵蓋 40+ 個經過認證的平台。

容量Broadcom ASIC經過認證的平台在 AI 資料中心中的典型位置
51.2 TbpsTomahawk 5 (BCM78900)Edgecore AIS800-64D、UfiSpace S9321-64E、UfiSpace S9321-64EO800G 後端 leaf 和 spine;S9321-64EO 還可承載 相干 DCI ,用於站點之間互連
25.6 TbpsTomahawk 4 (BCM56990)Edgecore AS9736-64D(DCS520)400G 後端 fabric、儲存網路或前端網路
12.8 TbpsTrident 4 (BCM56880)Edgecore AS9726-32DB(DCS240),UfiSpace S9300-32D適用於前端和儲存網路的 400G leaf;支援 IPoDWDM

OcNOS-DC 為交換器帶來的能力

  • 無損 RoCEv2: PFC(包括基於三層路由 underlay 的 PFC)、 PFC 死鎖偵測與恢復、用於 DCQCN 的 ECN,以及用於依類別分配頻寬的 DCBX 與 ETS。
  • 負載平衡: 用於壅塞感知路徑選擇的動態負載平衡(DLB),以及 全域負載平衡 (GLB) ,用於 OcNOS 7.1 中的全 fabric 路徑最佳化。
  • 多租戶 GPU 雲端: EVPN-VXLAN 在共享 fabric 上隔離租戶。在 Trident 3 X4、X5、X7 和 Trident 4 平台上,基於 VXLAN 的 ECN 和 PFC 還可在 overlay 中傳遞壅塞訊號。
  • 維運: 基於 gNMI 和 OpenConfig 的流式遙測,以及 NETCONF、YANG 和零接觸部署.
  • 授權與平台支援: DLB、PFC 死鎖偵測與恢復以及基於 VXLAN 的 ECN 屬於 OcNOS-DC PLUS 層級功能,支援情況因平台而異。 OcNOS 功能矩陣 依平台和層級列出每一項功能。
  • 管理網路: 1G Trident 3 X2 平台(Edgecore AS4625-54T、Celestica DS1000 和 UfiSpace S6301-56ST,每款 120 Gbps)以同一 NOS 執行頻外網路。

開放 AI 交換器帶來什麼,又要求什麼

採用獨立網路作業系統的開放交換器,改變了選擇權和工作量各自所在的位置。

您將獲得

  • 硬體選擇。 OcNOS-DC 執行於多家硬體製造商的交換器,因此每個平面都可以按容量、光模組和交付週期進行選擇。
  • 跨平面統一 NOS。 後端、儲存、前端和管理網路執行同一個作業系統、同一套 CLI 和同一種自動化模型。
  • 標準乙太網路。 RoCEv2 fabric 使用與資料中心其餘部分相同的光模組、佈線和工具,GPU NIC 可以獨立於交換器進行選擇。
  • 通往新晶片的路徑。 從 25.6 Tbps 升級到 51.2 Tbps 更換的是交換器,而不是維運模式。

提出的要求

  • 整合。 只有當交換器緩衝區、PFC、ECN 和 NIC 的壅塞控制協同調校時,無損乙太網路才能正常工作。必須有人完成這項調校並對其負責。
  • 支援模式。 當硬體和軟體來自不同公司時,一旦故障跨越兩者邊界,營運方需要一個明確的負責方。
  • 驗證負擔。 光模組、纜線、NIC 韌體和 NOS 版本都會隨時間變化,每種組合都需要在投入生產前進行測試。

OcNOS Systems 將交換器與 OcNOS-DC 作為一套經過驗證、可直接部署的完整系統交付,以此解決這三點,所支援的平台與功能組合均公佈在硬體兼容性列表和功能矩陣中。

採購 AI 資料中心交換器的三種方式

各方案中的交換晶片往往相同。區別在於由誰選擇軟體、由誰整合各部分,以及由誰承擔測試。

問題同一製造商提供的整合式交換器與 NOS自行整合的開放交換器經過驗證的開放系統
硬體選擇製造商自有型號買方選擇的任意開放交換器OcNOS HCL 中的開放交換器
網路作業系統與硬體綁定由買方選擇並安裝OcNOS-DC,在該平台上經過認證
由誰整合和測試製造商買方IP Infusion 認證平台與 NOS 的組合
GPU NIC 選擇因製造商而異任何支援 RoCEv2 的 NIC任何支援 RoCEv2 的 NIC
工作量所在整合工作量低,選擇範圍較窄整合工作量最高,選擇範圍最廣整合工作預先完成,在 HCL 範圍內選擇
遷移到新晶片製造商發布之時買方完成驗證之時平台加入 HCL 之時

AI 網路交換器常見問題

什麼是 AI 交換器?
AI 交換器是為 GPU 後端 fabric 建構的資料中心乙太網路交換器。它以高埠基數提供 400G 或 800G 埠,支援基於 PFC 和 ECN 的無損 RoCEv2,並將大流量分散到所有路徑上,因為最慢的資料流決定了訓練作業的耗時。這一術語描述的是交換器的用途和所支援的功能,而不是一類獨立的硬體。
什麼是最適合 AI 的交換器?
合適的交換器取決於 GPU 數量、NIC 速率以及可接受的 fabric 層數。對於具備 800G fabric 頻寬的 GPU,以 128 個 400G 埠執行的 51.2 Tbps 交換器在雙層無阻塞 fabric 中可達 4,096 個 GPU,每個 GPU 接入兩個 400G 埠;若每個 GPU 使用一個 800G 埠,上限為 2,048。對於 400G NIC,25.6 Tbps 交換器在 400G 下提供 64 的埠基數。除埠速率外,還應檢查 PFC 和 ECN 支援、動態負載平衡、流式遙測,以及網路作業系統是否在該硬體上經過認證。
AI 需要 800G 交換器,還是 400G 就夠了?
讓交換器與 NIC 相匹配。採用 400G NIC 的叢集可搭配 25.6 Tbps 或 12.8 Tbps 交換器。圍繞 800G NIC 建構的叢集需要 800G 交換器埠,否則每個 GPU 只能獲得一半的網路頻寬,實際上這意味著需要 51.2 Tbps 交換器。在相同埠基數下,800G 可在不增加 fabric 層級的情況下使每個 GPU 的頻寬翻倍。
什麼是 GPU fabric 交換器?
這是 GPU 後端網路中 AI 交換器的另一種叫法:即連接各伺服器上 GPU NIC 的 leaf、spine 或 super-spine 交換器。在伺服器或機架內部,GPU 之間還透過獨立的 scale-up 互連通訊。GPU fabric 交換器承載伺服器之間的 scale-out 流量。
AI 交換器需要深緩衝嗎?
在後端 fabric 中通常不需要。大多數 AI 後端 fabric 採用帶晶片內建共享緩衝區的高埠基數交換器,依靠 PFC、ECN 和負載平衡防止丟包。深緩衝交換器更常見於網路邊緣,例如資料中心互連和服務供應商路由器,這些位置的流量經由長距離或速率不匹配的鏈路到達。
AI 網路 fabric 能否使用乙太網路替代 InfiniBand?
可以。RoCEv2 在標準乙太網路上承載 RDMA,藉助 PFC、ECN 和負載平衡,乙太網路 fabric 可以為 GPU 流量實現無損執行。乙太網路還能讓同一個維運團隊、同一套光模組和同一套工具覆蓋後端和前端網路。
OcNOS 支援哪些用於 AI fabric 的交換器?
For the GPU back-end fabric, OcNOS-DC runs on 51.2 Tbps Broadcom Tomahawk 5 switches (Edgecore AIS800-64D, UfiSpace S9321-64E and UfiSpace S9321-64EO) and a 25.6 Tbps Tomahawk 4 switch (Edgecore AS9736-64D). OcNOS-DC is also qualified on 12.8 Tbps Trident 4 switches (Edgecore AS9726-32DB and UfiSpace S9300-32D). The full list of 40+ qualified platforms is in the OcNOS Hardware Compatibility List.

延伸閱讀:AI fabric 與開放網路

什麼是AI組網?

這些交換器所建構的 GPU 後端網路。

AI 網狀架構

AI 資料中心的每個平面及其硬體。

OcNOS AI Fabric

基於 OcNOS-DC 的完整 800G AI fabric。

InfiniBand 與乙太網對比

兩種傳輸技術在 AI 場景下的對比。

什麼是白盒交換器?

AI 交換器背後的開放硬體模式。

什麼是網路作業系統?

將晶片轉化為 fabric 的軟體。

什麼是網路解耦?

分別採購交換器及其軟體。

開放網路

開放硬體、開放軟體,以及 IP Infusion 的定位。

什麼是無損乙太網?

PFC、ECN 和 DCQCN,以及它們如何防止丟包。

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告訴我們 GPU 數量、NIC 速率以及可接受的超額訂閱比。IP Infusion 工程師將基於執行 OcNOS-DC 的經過認證的交換器,規劃 leaf、spine 和 super-spine 各層。