پادشاهی تراشه GH100 بر پایه معماری Hopper انودیا

بررسی تراشه GH100 و نقش فناوری ساخت در قدرت پردازشی نسل Hopper انویدیا

معرفی تراشه GH100، نقطهٔ عطفی در تحول پردازش های سنگین و هوش مصنوعی به شمار می رود. این تراشه که بر پایهٔ معماری Hopper طراحی شده، یکی از پیشرفته ترین پردازنده های گرافیکی حال حاضر جهان است و به طور ویژه برای مراکز داده، یادگیری عمیق، مدل سازی علمی و اجرای مدل های بسیار بزرگ هوش مصنوعی توسعه یافته است. توان محاسباتی GH100 آن قدر چشمگیر است که بسیاری آن را یک «نسل جهشی» نسبت به نسل های قبلی مانند Ampere می دانند. اما پیشرفت های آن فقط به افزایش تعداد هسته ها یا سرعت بیشتر محدود نمی شود؛ بلکه انتخاب فناوری ساخت مناسب، نقش اساسی در این سطح از توان و کارایی داشته است.  

فناوری ساخت GH100

در سال های اخیر اصطلاحاتی مانند «۵ نانومتر» و «۴ نانومتر» به قدری در تبلیغات به کار رفته اند که گاهی جنبهٔ فنی خود را از دست داده اند. بااین حال در تولید تراشه GH100، انویدیا از یک فرآیند ساخت پیشرفته و اختصاصی با عنوان 4N استفاده کرده است. این فناوری نسخه ای ارتقایافته از خانوادهٔ ۵ نانومتری به شمار می رود، اما با تغییرات و بهینه سازی هایی که مخصوص نیازهای انویدیا و پردازش های دیتاسنتری است. عدد «نانو» در اینجا صرفاً بیانگر یک مقیاس نیست؛ بلکه نشان دهندهٔ مجموعه ای از ویژگی هاست، از جمله:

• چگالی بالای ترانزیستور
• کاهش مصرف انرژی نسبت به توان تولیدشده
• قابلیت دستیابی به فرکانس های بالاتر
• عملکرد پایدارتر در ابعاد بزرگ تراشه

به لطف استفاده از این فرآیند، انویدیا قادر بوده تراشه ای بسیار بزرگ و پیچیده با حدود ۸۰ میلیارد ترانزیستور را تولید کند؛ چیزی که با گره های قدیمی تر امکان پذیر نبود یا به مصرف انرژی غیرقابل قبولی منجر می شد.  

مشاهده یک نمونه کارت گرافیک با فناوری ساخت 5 نانومتری و معماری Hopper

خرید کارت گرافیک NVIDIA H800 PCIe 80 GB

 

چگالی ترانزیستور و تأثیر آن بر طراحی Hopper انودیا

چگالی بالاتر ترانزیستور به معنی امکان قرار دادن اجزاء بیشتر در یک فضای محدود است. در GH100 این ظرفیت باعث شد که انویدیا بتواند مجموعه ای گسترده از واحدهای پردازشی را در یک تراشه واحد قرار دهد. برخی از مهم ترین این اجزا عبارت اند از:

• تعداد زیاد هسته های CUDA
• نسل چهارم واحدهای Tensor
• واحدهای محاسباتی جدید برای برنامه ریزی پویا (DPX)
• حافظهٔ کش بزرگ تر و چندلایه
• کنترلرهای پهنای باند حافظه HBM3

وجود این اجزا در کنار یکدیگر، توان پردازشی GH100 را چندین برابر نسل قبل کرده و آن را برای کاربردهای بسیار سنگین در مقیاس عظیم مناسب ساخته است.

اوج قدرت در هسته های Tensor و قالب های عددی جدید

یکی از مهم ترین پیشرفت های GH100 مربوط به واحدهای Tensor آن است؛ بخش هایی که به طور خاص برای محاسبات ماتریسی سنگین در یادگیری عمیق طراحی شده اند. Hopper نسبت به نسل قبل چند نوآوری مهم دارد: ۱. پشتیبانی از قالب FP8 قالب عددی FP8 یک پیشرفت بزرگ است، زیرا:

• حجم داده ها را به شدت کاهش می دهد
• سرعت انتقال را افزایش می دهد
• مصرف حافظه را کم می کند
• و به GPU اجازه می دهد مدل های بزرگ تر را در همان مقدار حافظه پردازش کند

این قالب باعث شد GH100 در آموزش مدل های زبانی بسیار بزرگ (LLM) عملکردی چند برابر نسبت به نسل قبل ارائه دهد. ۲. بهبود چشمگیر در عملیات FP16، BF16 و TF32 این قالب های محبوب یادگیری عمیق نیز با سرعت بالاتر و کارایی بیشتر پشتیبانی می شوند، که نتیجهٔ آن رسیدن به قدرت محاسباتی در سطح چند پتابایت در ثانیه است. واحدهای DPX؛ جهشی برای علوم محاسباتی انویدیا واحد ویژه ای به نام DPX در GH100 معرفی کرده است. این واحد برای تسریع الگوریتم هایی طراحی شده که بر پایهٔ برنامه ریزی پویا عمل می کنند. کاربردهای این نوع محاسبات شامل:

• زیست محاسبات (مانند تحلیل توالی DNA)
• الگوریتم های گراف
• مسیر یابی پیشرفته
• شبیه سازی های علمی

این بخش از تراشه GH100 را به گزینه ای قدرتمند برای پژوهشگران و مراکز علمی تبدیل می کند.

حافظه HBM3؛ ستون اصلی کارایی در مدل های بزرگ

برای اینکه توان محاسباتی عظیم GH100 به طور کامل استفاده شود، نیاز به حافظه ای سریع و پهنای باند وجود دارد. به همین دلیل این تراشه از حافظه HBM3 بهره می برد که سرعت و پهنای باند بسیار بیشتری نسبت به حافظه های معمولی دارد. HBM3 مزایایی دارد که آن را برای تراشه های عظیم ضروری می کند:

• انتقال داده با سرعت بسیار بالا
• مصرف انرژی کمتر نسبت به GDDR
• قابلیت قرارگیری چندین لایه حافظه در کنار تراشه
• کاهش تأخیر و افزایش بازده واقعی محاسبات

در نتیجه GH100 حتی در مقیاس های بسیار بزرگ مدل های زبانی، بدون گلوگاه حافظه ای عمل می کند.

مشاهده یک نمونه دیگر از کارت گرافیک با تراشه GH100

خرید کارت گرافیک NVIDIA H100 94GB PCIe

    مصرف انرژی و مدیریت حرارت یکی از چالش های طبیعی تراشه ای با این اندازه و پیچیدگی، مدیریت انرژی و حرارت است. GH100 در نسخه های دیتاسنتری ممکن است مصرف توان بسیار بالایی داشته باشد، اما فناوری ساخت بهینه 4N کمک کرده که نسبت توان به عملکرد در این تراشه بسیار بهتر از نسل قبل باشد. انویدیا با استفاده از:

• طراحی جدید سوکت SXM5
• مسیرهای تغذیه تقویت شده
• خنک کننده های صنعتی پیشرفته
• و مدیریت هوشمند فرکانس

توانسته کارایی این تراشه را در مقیاس دیتاسنتری به شکلی پایدار فراهم کند.  

ارتباطات پرسرعت NVLink؛ ساخت ابر GPU از چند تراشه

GH100 تنها یک تراشه قدرتمند نیست؛ بلکه به گونه ای طراحی شده که با چندین GPU دیگر در یک خوشه واحد کار کند. اتصال NVLink نسل جدید در Hopper سرعتی بسیار بالاتر از ارتباط PCIe فراهم می کند و امکان ساخت زیرساخت هایی مانند سیستم های DGX H100 را فراهم کرده است. این توان ارتباطی بالا برای مدل های عظیم ضروری است، زیرا چندین GPU باید مانند یک واحد عظیم و یکپارچه عمل کنند.  

GH100؛ پایه گذار نسل آینده تراشه های هوش مصنوعی

اگر GH100 را تنها یک تراشه گرافیکی بسیار قدرتمند بدانیم، حق مطلب ادا نمی شود. این تراشه مسیر آینده را مشخص می کند؛ آینده ای که در آن:

• قالب های عددی کوچک تر مانند FP8 نقش اصلی دارند
• معماری های چندتراشه ای (chiplet) بیش از پیش به کار گرفته می شوند
• حافظه های پهنای باند بالاتر ضروری تر می شوند
• و هوش مصنوعی در مقیاس بسیار بزرگ اجرا می شود

GH100 نمونه ای کامل از یک طراحی پیشرفته پیش از دوران chiplet است و نشان می دهد که یک تراشه یکپارچه تا چه اندازه می تواند قدرتمند باشد.   نتیجه گیری تراشه GH100، شاهکاری در طراحی سخت افزار و ترکیبی از معماری پیشرفته Hopper و فناوری ساخت بهینه 4N است. این تراشه با بهره گیری از:

• چگالی بالای ترانزیستور
• واحدهای Tensor نسل چهارم
• حافظه HBM3
• و زیرساخت ارتباطی NVLink

توانسته نسل جدیدی از قدرت پردازشی را برای هوش مصنوعی و محاسبات سنگین فراهم کند. GH100 تنها یک GPU سریع تر نیست؛ بلکه یک پلتفرم کامل برای اجرای مدل های آینده، از زبان های طبیعی گرفته تا علوم محاسباتی، محسوب می شود.