AI 加速卡全景:架构、代际与选型
摘要:选卡不是看"最贵/最新",而是看负载类型与三大件的匹配度。本文先建立分析框架,再逐代拆解主流 GPU 的演进逻辑,最后给出训练、推理、科学计算三个场景的选型矩阵与工程判断。
1. 分析框架:加速卡的三大件
任何 AI 加速卡的纸面规格,都可以压缩成三个数字:
① 算力 TFLOPS —— 每秒能算多少浮点(决定计算密度)
② 显存带宽 TB/s —— 每秒能搬多少数据(决定数据供给)
③ 互联带宽 GB/s —— 每秒能与别的卡交换多少(决定扩展性)工程铁律:训练吞吐 = min(算力供给, 数据供给, 通信供给)。三者必须匹配,任何一项短板都会成为实际瓶颈——买了一张算力怪兽,显存带宽跟不上,GPU 就在"饿肚子"。
2. 三大件逐项拆解
2.1 算力:Tensor Core 与精度
- 现代 GPU 用 Tensor Core 做矩阵乘,关键指标分精度:FP64(科学计算)/ FP32 / TF32 / BF16 / FP8 / FP4。
- BF16 是训练主力:动态范围与 FP32 一致,训练稳定;FP8 是新一代训练/推理折中。
- 判断算力要看目标精度的 TFLOPS,而不是宣传册上的 FP16 峰值(换算关系:FP16 ≈ 2×FP8,FP8 ≈ 2×FP4,不同厂商口径不同,务必对齐精度再看)。
2.2 显存带宽:训练吞吐的真正杠杆
矩阵乘的计算强度(arithmetic intensity)极高,GPU 大部分时间在等数据。显存带宽决定了每个 token 的成本:
- 吞吐 ≈ 显存带宽 ÷ 每 token 的权重读取量。模型变大,权重读取线性增长,带宽不足就直接限死吞吐。
- 这也是为什么 H100 相比 A100 最值钱的升级是 HBM3:3.35 TB/s vs 2.0 TB/s(+67%)——比算力提升(约 3×)更能直接拉高训练吞吐。
2.3 互联:从 NVLink 到 Scale-Up
- NVLink(节点内):H100 的 900 GB/s,A100 的 600 GB/s。TP(张量并行)依赖它,8 卡全互联是标配。
- NVSwitch(机内):8 卡 H100 通过 NVSwitch 全互联,任意两卡对等带宽。
- Scale-Up 网络(机间):NVLink 域扩展(如 NVLink72 / 机柜级互联),把"节点"变成"机柜",是百卡级训练的下一站;IB/RoCE 仍是万卡级 Scale-Out 的骨干。
3. 代际演进:A100 → H100 → H200 → B200
| 指标 | A100 80G | H100 SXM 80G | H200 141G | B200 192G(参考) |
|---|---|---|---|---|
| FP16/BF16 稠密 TFLOPS | 312 | 989 | 989 | ~4500* |
| 显存容量 | 80 GB | 80 GB | 141 GB | 192 GB |
| 显存带宽 | 2.0 TB/s | 3.35 TB/s | 4.8 TB/s | 8.0 TB/s* |
| NVLink | 600 GB/s | 900 GB/s | 900 GB/s | 1.8 TB/s* |
| 制程 | 7nm | 4N | 4N | 定制 4NP |
| 单卡 TDP | 400 W | 700 W | 700 W | ~1000 W* |
* 以官方发布规格为准,此处为工程参考值;采购前务必核对最新 spec sheet。
演进逻辑:
- A100→H100:算力约 3×,带宽 1.67×,引入 FP8——训练侧直接收益。
- H100→H200:加显存、加带宽(141 GB / 4.8 TB/s),算力不变——纯带宽升级,长上下文、大 batch 推理受益最大。
- H200→B200:算力与带宽继续翻倍,TDP 逼近 1kW——散热与供电成为新约束,机房配套(液冷)第一次成为选型前置条件。
4. 选型矩阵:按负载类型决策
| 负载 | 最敏感指标 | 推荐方向 | 反例(别这么选) |
|---|---|---|---|
| LLM 预训练(千卡级) | 互联带宽 + 显存带宽 | H100/H200 高带宽型号,Scale-Up 优先 | 只看 FP8 峰值,忽略跨机网络 |
| 长上下文微调 | 显存容量 | H200(141 GB)级大显存 | 80 GB 卡硬撑,触发 ZeRO-3 通信爆炸 |
| 推理(高并发) | 显存带宽 + 批量延迟 | 专用推理卡或高带宽旗舰 | 用训练旗舰卡跑低并发小 batch(带宽浪费) |
| 科学计算(HPC) | FP64 算力 + 能效 | 通用计算卡(FP64 原生) | 训练卡(FP64 被砍,模拟代码跑不起来) |
| 多模态(视频/3D) | 显存容量 + 带宽 | 大显存带宽型号 | 只看 TFLOPS |
5. 生态兼容性:选型的隐藏变量
纸面规格之外,软件生态决定真实利用率:
- CUDA 生态成熟度:框架、NCCL、vLLM/TensorRT、profiler 工具链是否开箱即用。
- 驱动与固件生命周期:新卡=新驱动=新 bug,生产集群延迟 1~2 个季度采用新架构是常见风控。
- 异构混合的复杂度:不同架构混布意味着两套驱动、两套调度、两套算子实现,交付成本翻倍——除非有明确业务需要,避免混布。
- 训练/推理框架支持:FlashAttention、量化内核、推理引擎对新卡的适配进度,决定了"纸面算力"能兑现几成。
6. 常见误区
- "只看 TFLOPS 选卡":训练是带宽敏感负载,显存带宽不足时 TFLOPS 是空转。
- "新架构立刻上生产":首发驱动 + 框架适配滞后,建议验证窗口 ≥ 1 个季度。
- "异构混布省钱":两套生态的运维与调度成本通常吞掉省下的硬件差价。
- "拿训练卡跑 HPC":FP64 算力被刻意压低,分子动力学/CFD 等科学负载会跑出难以接受的结果。
下一步:架构与选型定好后,进入交付阶段,见 万卡集群硬件选型与验收清单。