GPU通信技术揭秘：GPU Direct、NVLink与RDMA

2024-01-12 03:48:52

GPU通信技术：赋能高性能计算，引领数据中心新时代

GPU的崛起：高性能计算的基石

在数据爆炸的时代，高性能计算 (HPC) 已成为科学研究、人工智能 (AI) 和大数据分析等领域的必需品。而图形处理器 (GPU)，凭借其强大的并行处理能力，已成为 HPC 领域的基石。然而，GPU 与其他设备之间的通信却一直是性能提升的一大瓶颈。

GPU Direct 技术：打破通信壁垒

为了克服这一障碍，NVIDIA 推出了 GPU Direct 技术，彻底改变了 GPU 通信的方式。GPU Direct 技术允许 GPU 绕过 CPU，直接与其他设备通信，大幅降低了通信延迟并提高了数据传输速度。

GPU Direct RDMA：极速数据传输

GPU Direct RDMA (Remote Direct Memory Access)是一种远程直接内存访问技术，允许 GPU 直接访问其他设备的内存，无需 CPU 参与。通过消除 CPU 的开销，GPU Direct RDMA 可显著降低通信延迟并提高数据传输速度。

代码示例：

#include <cuda_runtime.h>

// 分配设备内存
void* devPtr;
cudaMalloc(&devPtr, sizeof(int));

// 通过 RDMA 直接访问设备内存
cudaMemcpyAsync(devPtr, hostPtr, sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream);

GPU Direct Storage：无缝存储访问

GPU Direct Storage 是一种 GPU 直接访问存储设备的技术。通过绕过 CPU，GPU 可以直接访问存储设备上的数据，减少了数据传输延迟，提高了数据读取和写入速度。

代码示例：

#include <cuda_dstorage.h>

// 打开存储设备
cudaDstorageOpenDevice(&device);

// 创建存储映射
cudaDstorageMap(&map, device, offset, size);

// 通过存储映射直接访问数据
cudaMemcpyAsync(devPtr, map.data, size, cudaMemcpyHostToDevice, stream);

GPU Direct P2P：GPU 间高效通信

GPU Direct P2P (Peer-to-Peer)是一种 GPU 与 GPU 之间直接通信的技术。通过 GPU Direct P2P，两块 GPU 可以绕过 CPU，直接交换数据，大幅降低了通信延迟并提高了数据传输速度。

代码示例：

#include <cuda_runtime.h>

// 创建两个 GPU 上下文
cudaDeviceProp prop[2];
cudaGetDeviceProperties(&prop[0], 0);
cudaGetDeviceProperties(&prop[1], 1);

// 使用 P2P API 交换数据
cudaMemcpyPeerAsync(devPtr1, 0, devPtr2, 0, sizeof(int), stream);

NVLink 技术：开启 GPU 互联新篇章

NVLink 是一种由 NVIDIA 开发的高速互联技术，专为连接多个 GPU 而设计。NVLink 技术可实现高达 300GB/s 的 GPU 之间数据传输速率，远超传统的 PCIe 总线。

通过 NVLink 构建 GPU 集群

通过使用 NVLink 技术，可以构建 GPU 集群，将多个 GPU 连接在一起，形成一个强大的计算平台。GPU 集群可显著提高计算性能，满足 HPC 和 AI 等领域对计算能力的严苛要求。

代码示例：

#include <nvlink.h>

// 使用 NVLink API 初始化 GPU 集群
NvlinkInit();

// 使用 NVLink 总线传输数据
NvlinkTransfer(srcDev, dstDev, size, nvlink_t::NvlinkSyncMode::NvlinkSyncModeAsync);

RDMA 技术：数据中心高速互联

RDMA (Remote Direct Memory Access)是一种远程直接内存访问技术，允许一台计算机直接访问另一台计算机的内存，无需 CPU 参与。RDMA 技术可显著降低通信延迟并提高数据传输速度，从而提高数据中心的整体性能。

RDMA 在数据中心的应用

在数据中心领域，RDMA 技术广泛应用于 HPC、分布式存储和数据库等场景。RDMA 技术可帮助数据中心实现高速互联，提高数据传输速度，从而提高数据中心的整体性能。

代码示例：

#include <infiniband/verbs.h>

// 使用 RDMA API 初始化网卡
ibv_device* dev;
ibv_open_device(&dev);

// 使用 RDMA QP 传输数据
ibv_send_wr* send_wr;
ibv_post_send(ibv_qp* qp, send_wr, &ibv_send_wr_flags::IBV_SEND_SIGNALED);

GPU Direct、NVLink 和 RDMA 技术比较

技术	通信方式	通信延迟	数据传输速度	应用领域
GPU Direct RDMA	GPU 与其他设备之间直接通信	极低	高	HPC、AI
GPU Direct Storage	GPU 与存储设备之间直接通信	低	高	HPC、AI
GPU Direct P2P	GPU 与 GPU 之间直接通信	极低	高	HPC、AI
NVLink	GPU 与 GPU 之间直接通信	极低	高	HPC、AI
RDMA	计算机与计算机之间直接通信	低	高	数据中心、HPC、分布式存储