Hot Chips 2024 | AMD Instinct MI300X新一代加速器推動(dòng)AI和高性能計(jì)算

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文旨在幫助讀者了解AMD Instinct MI300X加速器，這款加速器代表了人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）技術(shù)的進(jìn)步[1]。我們將探討MI300X的架構(gòu)、特性和性能，展示其如何滿足生成式AI和大型語言模型（LLMs）不斷增長的需求。

3 N0 c9 x$ X$ @& g+ `AMD Instinct MI300X簡介
AMD Instinct MI300X是AMD持續(xù)推進(jìn)HPC和AI計(jì)算能力的成果。在其前代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，MI300X專注于統(tǒng)一內(nèi)存、AI數(shù)據(jù)格式性能和節(jié)點(diǎn)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的改進(jìn)。

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圖1：AMD Instinct加速器的演進(jìn)歷程，展示了從MI100到MI300X的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

架構(gòu)概述
; V! G( j& @: U3 aMI300X的核心是AMD CDNA 3架構(gòu)，采用多Chiplet設(shè)計(jì)，包含1530億個(gè)晶體管，使用臺(tái)積電5nm和6nm FinFET工藝制造。
3 k) L. A( ?, x
4 s! ?; W: ?4 m' s圖2：詳細(xì)展示了AMD Instinct MI300X多Chiplet加速器的結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)XCD（GPU Chiplet）、HBM3內(nèi)存和互連設(shè)計(jì)。
+ Z' H  |/ C; x6 G+ `) @
MI300X的主要特性包括：

304個(gè)計(jì)算單元

1,216個(gè)矩陣核心

192GB HBM3內(nèi)存，帶寬達(dá)5.2 TB/s

第四代Infinity Fabric，帶寬高達(dá)896 GB/s
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0 v% M4 S9 v5 g. B% }MI300X的架構(gòu)針對AI工作負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化，特別是在矩陣運(yùn)算和低精度計(jì)算方面。

' A% Z' E% U/ M9 }0 L# z% HCDNA 3架構(gòu)改進(jìn)
3 Q$ ^% B2 m0 _* a: ~# vCDNA 3架構(gòu)相比前代產(chǎn)品有顯著提升：
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每時(shí)鐘周期每計(jì)算單元的低精度矩陣運(yùn)算能力翻倍

支持INT8、FP8、FP16和BF16格式的2:4結(jié)構(gòu)化稀疏性

新增TF32和FP8數(shù)值格式支持

支持各種浮點(diǎn)和整數(shù)運(yùn)算的并發(fā)執(zhí)行


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5 r1 w, B4 z+ D1 f) C( R' R" Y圖3：MI300X與MI250X計(jì)算能力的詳細(xì)對比，突顯各種數(shù)據(jù)格式的性能提升。


8 j) O& i9 J, J8 s# ]" Y* Y內(nèi)存系統(tǒng)
MI300X的一個(gè)突出特點(diǎn)是其內(nèi)存系統(tǒng)：

全球首個(gè)8堆棧HBM3內(nèi)存架構(gòu)

每個(gè)加速器配備192GB HBM3內(nèi)存

5.2 TB/s的內(nèi)存帶寬
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這種大容量內(nèi)存使MI300X能夠處理比競爭對手更大的AI模型。例如，單個(gè)MI300X平臺(tái)可以支持高達(dá)6800億參數(shù)的LLM推理任務(wù)。
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3 J6 J& }$ Y. [  |+ }& p圖4：AMD Instinct MI300X與NVIDIA H100內(nèi)存容量和帶寬的對比。
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緩存層級(jí)和Infinity Cache
# j9 h5 ?, t$ j& `MI300X具有復(fù)雜的緩存層級(jí)結(jié)構(gòu)：
* i2 D: ]! l/ v) U0 X7 I. \# p

每個(gè)計(jì)算單元32 KiB L1數(shù)據(jù)緩存

每兩個(gè)計(jì)算單元共享64 KiB L1指令緩存

每個(gè)XCD有4 MiB L2緩存

256 MiB Infinity Cache



  d4 x+ J1 f9 j圖5：MI300X的緩存和內(nèi)存層級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
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Infinity Cache是一個(gè)亮點(diǎn)特性，提供256 MB緩存，峰值帶寬達(dá)14.7 TB/s，在帶寬放大、功耗降低和延遲改善方面帶來顯著益處。

+ f, F: a8 B' Z9 z7 Z空間分區(qū)和虛擬化
3 `3 ^2 P( w% A. Q; IMI300X支持靈活的空間分區(qū)，允許將GPU分為多個(gè)分區(qū)：

可以分為與XCD數(shù)量相等的分區(qū)

支持單根I/O虛擬化（SR-IOV），每個(gè)平臺(tái)最多64個(gè)虛擬功能（VF）

支持動(dòng)態(tài)重新分區(qū)以優(yōu)化工作負(fù)載
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圖6：展示了AMD Instinct MI300X GPU的多種空間分區(qū)配置，突顯其在不同工作負(fù)載和虛擬化場景下的靈活性。
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AMD Instinct MI300X平臺(tái)
MI300X設(shè)計(jì)為在平臺(tái)配置中工作，通常包括：

8個(gè)AMD Instinct MI300X加速器

BF16/FP16性能約為10.4 PetaFLOPS

總計(jì)1.5 TB HBM3內(nèi)存

Infinity Fabric帶寬約為896 GB/s
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圖7：AMD Instinct MI300X平臺(tái)的概覽，展示其作為領(lǐng)先生成式AI平臺(tái)的關(guān)鍵特性。

+ |5 o- Z. ]/ HInfinity平臺(tái)和生態(tài)系統(tǒng)
! {% \' D6 a' V, {% K% g3 P% UMI300X Infinity平臺(tái)通過AMD Infinity Fabric為8個(gè)OAM（開放加速器模塊）提供直接連接：

七個(gè)雙向鏈路，每個(gè)帶寬為128 GB/s

每個(gè)OAM配備PCIe Gen 5 x16，用于服務(wù)器連接和I/O

192GB HBM用于RDMA（遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問）


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圖8：展示了MI300X Infinity平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，說明了多個(gè)MI300X加速器之間的互連以及與主機(jī)服務(wù)器的連接方式。
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2 `( H. @2 Y# [9 C* K8 x該平臺(tái)還符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并提供高級(jí)特性：
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符合UBB 2.0標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速部署和無縫數(shù)據(jù)中心集成

增強(qiáng)的安全特性，包括SPDM認(rèn)證

全面的RAS（可靠性、可用性、可服務(wù)性）特性

先進(jìn)的遙測和固件管理功能

軟件生態(tài)系統(tǒng)
% E, r# u% O' e0 t! YAMD為支持MI300X開發(fā)了軟件生態(tài)系統(tǒng)：
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ROCm（Radeon開放計(jì)算）平臺(tái)用于GPU計(jì)算

針對AI和HPC工作負(fù)載優(yōu)化的庫

支持流行的AI框架，如PyTorch和TensorFlow

擴(kuò)展的開發(fā)者工具和運(yùn)行時(shí)環(huán)境
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6 W# G0 n) i$ U3 v; z這個(gè)軟件棧確保開發(fā)者能在各種應(yīng)用中高效利用MI300X的能力。
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AI工作負(fù)載性能
0 q4 r2 R9 }; e  k$ LMI300X在各種AI任務(wù)中展現(xiàn)了令人印象深刻的性能：

Meta Llama-3 70B模型的令牌生成吞吐量比NVIDIA H100高出1.3倍

Mistral-7B模型的吞吐量高出1.2倍

在模型微調(diào)任務(wù)中表現(xiàn)出色
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5 y( K& Q1 x7 o1 `圖9：AMD Instinct MI300X與NVIDIA H100在Meta Llama-3 70B和Mistral-7B模型上的令牌生成吞吐量對比。

結(jié)論
' Z! z5 }* U4 @+ X' I) E6 {2 zAMD Instinct MI300X代表了AI和HPC工作負(fù)載加速器技術(shù)的進(jìn)步。其創(chuàng)新架構(gòu)、大容量內(nèi)存和強(qiáng)大的計(jì)算能力使其成為高端AI加速器市場的有力競爭者。隨著對更大、更復(fù)雜AI模型需求的不斷增長，MI300X高效處理這些工作負(fù)載的能力使其成為推動(dòng)AI研究和部署的理想選擇。
" S' l: I1 O4 ^! w
憑借靈活的分區(qū)、先進(jìn)的內(nèi)存系統(tǒng)和強(qiáng)大的軟件生態(tài)系統(tǒng)，MI300X完全有能力應(yīng)對從訓(xùn)練大型語言模型到加速推理任務(wù)的各種AI挑戰(zhàn)。隨著AMD持續(xù)完善和擴(kuò)展其AI產(chǎn)品線，MI300X彰顯了該公司在快速發(fā)展的人工智能和高性能計(jì)算領(lǐng)域推動(dòng)創(chuàng)新的承諾。
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9 B/ c( k5 K# q0 }+ c$ Y參考文獻(xiàn)
1 |+ M1 W4 b3 q2 z* X" u% A[1] Smith and V. Alla, "AMD Instinct MI300X Generative AI Accelerator and Platform Architecture," in Hot Chips 2024, Aug. 2024.
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