AIGC新一代网络解决方案：组网DDC技术

2023年是AI人工智能技术全面崛起的一年，以ChatGPT、GPT-4、Ernie Bot等大型AIGC模型为代表，它们集文字写作、代码开发、诗歌创作等多种功能于一体，展示了优秀的内容生产能力，给人以深刻的震撼。作为一名IT专业人士，AIGC大模型背后的通信技术也应该引起深思。没有好的网络，就无从谈及大模型的训练。构建大规模训练模型集群，不仅需要GPU服务器、网卡等基础组件，而且网络建设问题也亟待解决。什么样的强大网络在支撑AIGC的运行？AI浪潮的全面到来，将给传统网络带来怎样的革命性变化？

前面提到的AIGC大模型之所以如此强大，不仅是因为其背后有大量的数据支撑，还因为算法在不断进化和升级。更重要的是，人类计算能力的规模已经发展到一定程度。强大的算力基础设施可以充分支撑AIGC的计算需求。在训练大型模型时，由于模型的大小通常会超过单个GPU的内存和计算能力，因此需要多个GPU来分担负载。在大模型训练过程中，GPU负载分担有三种方式，即张量并行、管道并行、数据并行。

数据并行性：

数据并行是一种简单且直接的并行化技术，其中在多个处理器(如GPU)上复制模型的完整副本。每个处理器或GPU都会获得整个模型的副本，并独立地对不同的数据子集执行前向和后向传播。在每个训练步骤之后，来自所有处理器的模型权重更新需要合并或同步，这通常通过某种形式的集体通信操作来完成，例如all-reduce。数据并行性允许模型在更大的数据集上进行训练，因为数据被分成多个小批次，每个批次在不同的处理器上处理。

想象一个大型图书馆，需要对其中的所有书籍进行分类。数据并行就像雇用多个图书管理员，每个图书管理员负责对一部分图书进行分类。在模型训练的情况下，每个GPU都会获得整个模型的副本，但只处理整个数据集的一部分。当所有GPU完成各自的任务后，它们交换信息以同步更新模型权重。

张量并行性：

当模型太大而无法容纳单个处理器的内存时，通常使用张量并行性。在这种并行化策略中，模型的不同部分，例如神经网络层中的不同张量或参数组，被分配给不同的处理器。这意味着每个处理器只负责计算模型的一部分。为了完成整个模型的前向和后向传播，处理器必须频繁地交换中间结果，这可能会导致较高的通信开销。张量并行性需要处理器之间的高速连接，以最大限度地减少这些交换的延迟。

假设数据并行是多个图书馆员，每个图书馆员处理一部分书籍。在这种情况下，张量并行就像每个图书馆员负责分类工作的一部分步骤。在模型训练中，每个GPU负责模型中的一部分计算，例如一个GPU负责模型前半层的计算，另一个GPU负责模型后半层的计算。这样，模型的每一层都可以跨多个GPU进行计算。

管道并行性：

管道并行是一种并行化策略，其将模型的不同层或部分分配给不同的处理器，并以管道方式执行计算。在管道并行中，输入数据被分成多个微批次，每个微批次依次通过模型的每一层。当一个微批次完成第一层的计算后，其立即传递到下一层，同时第一层开始处理下一个微批次。这种方式可以减少处理器的空闲时间，但需要仔细管理管道，以避免产生太大的停顿，其中某些处理器可能会因为等待相关计算结果而暂停其工作。

管道并行就像工厂装配线上的工人，每个工人执行特定的任务，然后将半成品传递给下一个工人。在模型训练中，模型被分成几个部分，每个部分在不同的GPU上顺序执行。当一个GPU完成其部分计算时，其将中间结果传递给下一个GPU以继续计算。

在实际部署中，网络的设计必须考虑这些并行策略的带宽和延迟要求，以保证模型训练的效率和效果。有时，这三种并行策略结合起来可以进一步优化训练过程。例如，大型模型可以使用多个GPU上的数据并行性来处理不同的数据子集，同时使用每个GPU内的张量并行性来处理模型的不同部分。

我们再来看看大模型训练对AI算力的需求。随着大模型的不断升级，模型训练的算力需求也随之增加，每三个月翻一番。GPT-3模型（1750亿参数，45TB训练语料，消耗3640PFlops/s-Days算力）ChatGPT3，使用128台A100服务器，总共1024张A100卡进行训练，因此单个服务器节点需要4个100G网络渠道；而ChatGPT4、ChatGPT5等大型模型，对网络的要求会更高。

AIGC发展到现在，训练的模型参数从1000亿飙升到10万亿。要完成如此大规模的训练，底层支撑的GPU数量也达到了万卡的规模。

那么问题来了，影响GPU利用率最大的因素是什么？

答案是网络。

作为拥有数万个GPU的计算集群，与存储集群的数据交互需要巨大的带宽。此外，GPU在执行训练计算时并不是独立的，而是使用混合并行。GPU之间有大量的数据交换，这也需要巨大的带宽。

如果网络不强大，数据传输速度慢，GPU需要等待数据，利用率降低。利用率的下降会增加训练时间、成本，用户体验也会变差。

业界做了一个模型来计算网络带宽吞吐量、通信延迟和GPU利用率之间的关系，如下图所示：

带宽吞吐量和GPU利用率/动态延迟和GPU利用率

从这可以看到，网络吞吐量越强，GPU利用率越高；通信动态延迟越大，GPU利用率越低。

什么样的网络可以支持AIGC的运行？

为了应对AI集群计算对网络的高要求，业界提出了多种解决方案。在传统策略中，常见有三种技术：Infiniband、RDMA和帧交换机。

Infiniband网络

对于熟悉数据通信的专业人士来说，Infiniband网络并不陌生。它被誉为构建高性能网络的最佳方式，确保极高的带宽、无拥塞、低延迟。ChatGPT和GPT-4使用的网络是Infiniband网络。但该技术的缺点是价格昂贵，成本是传统以太网组网的数倍。另外，该技术相对封闭，行业内只有一家成熟的供应商，限制了用户的选择。

RDMA网络

RDMA，即远程直接内存访问，是一种新型的通信机制。在RDMA方案中，数据可以直接与网卡通信，绕过CPU和复杂的操作系统，不仅大大提高了吞吐量，而且保证了更低的延迟。

此前，RDMA主要承载在InfiniBand网络上。现在，已逐步移植到以太网上。目前主流的组网方案是基于RoCE v2协议构建支持RDMA的网络。然而，该方案中的PFC和ECN技术虽然是为了避免链路拥塞而产生的，但在频繁触发时可能会导致发送方暂停或变慢，从而影响通信带宽。

帧交换机

一些互联网企业曾希望使用帧交换机来满足高性能网络的需求。但该方案存在可扩展性不足、设备功耗高、故障域大等挑战，仅适合小规模AI计算集群部署。

新一代AIGC网络：DDC技术

鉴于传统方案的种种局限性，一种新的解决方案——DDC（分布式机箱）应运而生。DDC“拆解”了传统帧交换机，增强其可扩展性，并根据AI集群规模灵活设计网络规模。通过这种创新方式，DDC克服了传统方案的局限性，为AI计算提供了更加高效、灵活的网络架构。

从规模和带宽吞吐量来看，DDC完全满足大规模AI模型训练的网络需求。然而网络运行不仅仅是这两方面，还需要在时延、负载均衡、管理效率等方面进行优化。为此，DDC采取以下技术策略：

• VOQ+基于Cell的转发机制，有效对抗丢包

当网络遇到突发流量时，可能会导致接收方处理缓慢，导致拥塞、丢包。DDC采用的VOQ+Cell-based转发机制可以很好地解决这个问题。具体流程如下：

发送方收到数据包后，首先将数据包分类并存储到VOQ中。在发送数据包之前，NCP首先会发送Credit消息来确认接收方是否有足够的缓冲区空间。只有当接收方确认自己有处理能力时，数据包才会被切片成Cell并动态负载均衡到Fabric节点。如果接收方暂时无法处理，数据包会暂时存储在发送方的VOQ中，不会直接转发。这种机制充分利用了缓存，可以大大减少甚至避免丢包，从而提高整体通信稳定性，减少延迟，提高带宽利用率和业务吞吐效率。

• PFC单跳部署，彻底避免死锁

PFC技术用于RDMA无损网络中的流量控制，可以为以太网链路创建多个虚拟通道，并为每个通道设置优先级。然而，PFC也存在死锁问题。

在DDC网络中，由于所有NCP和NCF被视为整体设备，因此不存在多级切换，从而完全避免了PFC的死锁问题。

PFC工作机制示意图

40*200G

• 分布式操作系统，增强可靠性

在DDC架构中，管理功能由NCC集中控制，但这可能会带来单点故障的风险。为了避免这个问题，DDC采用分布式操作系统，允许每个NCP和NCF独立管理，并具有独立的控制平面和管理平面。这不仅大大提高了系统的可靠性，而且更易于部署。

总结

DDC通过其独特的技术策略，满足了大规模AI模型训练的网络需求，同时也在诸多细节上进行了优化，保证了网络在各种复杂条件下都能稳定高效地运行。