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

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
$ c. H8 C- q" y" g3 C/ R7 x7 e: G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。

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
- c" |: `* x5 U7 o( yMI300X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，使用臺積電5nm和6nm FinFET工藝制造。

& ?$ w/ n' ?7 @5 E% l. c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)。

% d  ?) Z# D# f/ Y  u) w! dMI300X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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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。
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CDNA 3架構(gòu)改進(jìn)
; X6 s. ?4 Q1 y& {# WCDNA 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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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。


7 s2 y: n* k5 g! @1 X  \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

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平臺可以支持高達(dá)6800億參數(shù)的LLM推理任務(wù)。
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圖4：AMD Instinct MI300X與NVIDIA H100內(nèi)存容量和帶寬的對比。
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緩存層級和Infinity Cache
+ `1 Z" K( A% G+ qMI300X具有復(fù)雜的緩存層級結(jié)構(gòu)：

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
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1 [0 w* g( i! o圖5：MI300X的緩存和內(nèi)存層級結(jié)構(gòu)圖。
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4 a  e7 Y2 S, ^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。
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空間分區(qū)和虛擬化
0 }, ]6 ^# b6 X) y3 H8 BMI300X支持靈活的空間分區(qū)，允許將GPU分為多個(gè)分區(qū)：
' K& [" i, g7 l9 y3 s$ J

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)平臺最多64個(gè)虛擬功能（VF）

支持動態(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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/ e: t8 H. m, g0 N: s6 _  p: s7 eAMD Instinct MI300X平臺
MI300X設(shè)計(jì)為在平臺配置中工作，通常包括：
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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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+ _5 T; x9 M: b* {  Q圖7：AMD Instinct MI300X平臺的概覽，展示其作為領(lǐng)先生成式AI平臺的關(guān)鍵特性。
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Infinity平臺和生態(tài)系統(tǒng)
0 e) w$ m; g* n# c/ N0 hMI300X Infinity平臺通過AMD Infinity Fabric為8個(gè)OAM（開放加速器模塊）提供直接連接：
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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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該平臺還符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并提供高級特性：

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

' \% `% i- l2 o, k軟件生態(tài)系統(tǒng)
; b0 E# L7 y. s5 bAMD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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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。

AI工作負(fù)載性能
" C$ f/ s$ T. y4 u( H1 AMI300X在各種AI任務(wù)中展現(xiàn)了令人印象深刻的性能：
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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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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。
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結(jié)論
; \6 ]- W# I( U9 ]5 SAMD 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AI研究和部署的理想選擇。

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)域推動創(chuàng)新的承諾。
. l8 p! r3 y+ j$ ?0 d0 u# ]% ~
參考文獻(xiàn)
, ^- [! d8 X4 ^. i$ }/ l[1] Smith and V. Alla, "AMD Instinct MI300X Generative AI Accelerator and Platform Architecture," in Hot Chips 2024, Aug. 2024.

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