Was ist GPU-Skalierung?

GPU-Skalierung bezeichnet den Prozess der Nutzung von Grafikprozessoren (GPUs) zur Beschleunigung und Skalierung der Leistung bei rechenintensiven Workloads. In Unternehmensumgebungen ermöglicht die GPU-Skalierung Systemen die Verarbeitung größerer Datensätze, das Training tieferer Machine-Learning-Modelle, die Darstellung komplexer Visualisierungen und die Verwaltung von Videostreams mit hohem Durchsatz, indem Aufgaben auf mehrere GPU-Kerne oder Knoten verteilt werden. Diese Skalierung kann innerhalb eines einzelnen Systems oder über GPU-Cluster in einem modernen Rechenzentrum erreicht werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich der Begriff „GPU-Skalierung“ im Verbraucherkontext auch auf die Anpassung der Seitenverhältnisse für die Anpassung der Bildschirmauflösung beziehen kann. In Unternehmen und Rechenzentren bezieht sich GPU-Skalierung jedoch in erster Linie auf die Leistungsskalierung durch GPU-Beschleunigung.

Wie GPU-Skalierung funktioniert

GPU-Skalierung funktioniert durch die Verteilung von Rechenaufgaben auf eine oder mehrere GPUs, um die Leistung zu beschleunigen und größere oder komplexere Workloads zu bewältigen. Dies kann innerhalb eines einzelnen Servers mit mehreren GPUs oder in einem verteilten System erfolgen, in dem GPUs zu Clustern zusammengefasst und miteinander verbunden sind, um als einheitliche Ressource zu fungieren.

Der Kern der GPU-Skalierung ist die parallele Verarbeitung. Im Gegensatz zu CPUs, die über eine geringe Anzahl leistungsstarker Kerne verfügen, die für die sequenzielle Verarbeitung optimiert sind, enthalten GPUs Tausende kleinerer Kerne, die für die gleichzeitige Ausführung vieler Operationen ausgelegt sind. Dadurch eignen sie sich ideal für Aufgaben wie Deep-Learning-Inferenz und -Training, Forschungs- und Entwicklungssimulationen, 3D-Rendering und Echtzeit-Videotranskodierung.

Vertikale Skalierung

Vertikale GPU-Skalierung bedeutet, dass einem einzelnen System leistungsstärkere oder zusätzliche GPUs hinzugefügt werden. Dieser Ansatz erhöht die Rechendichte und ist ideal für Hochleistungs-Workloads, die eine große Speicherbandbreite zwischen CPU und GPU sowie eine schnelle Kommunikation innerhalb der GPU erfordern.

Horizontale Skalierung

Bei der horizontalen GPU-Skalierung werden mehrere GPU-fähige Systeme oder Knoten über ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk miteinander verbunden. Diese Methode ermöglicht verteiltes Training und verteilte Verarbeitung über viele Server hinweg und sorgt so für Skalierbarkeit in einem Rechenzentrum oder Cluster. Technologien wie NVIDIA NVLink, InfiniBand und RDMA over Converged Ethernet (RoCE) werden häufig eingesetzt, um Verbindungen mit hohem Durchsatz und geringer Latenz zu unterstützen.

Software-Orchestrierung

Die Skalierung der Arbeitslast wird über spezielle Software-Stacks und Frameworks verwaltet. CUDA, OpenCL und herstelleroptimierte Bibliotheken übernehmen die Ausführung der Aufgaben, während Orchestrierungstools wie Kubernetes mit GPU-fähiger Planung die Arbeitslast effizient auf die Knoten verteilen. Diese Plattformen sorgen dafür, dass die Ressourcen dynamisch zugewiesen werden, um den Anforderungen der Arbeitslast gerecht zu werden, und gleichzeitig die Leistung und Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten.

Infrastruktur- und Hardwareanforderungen für die GPU-Skalierung

Die Aktivierung der GPU-Skalierung in Unternehmensumgebungen erfordert Systeme, die speziell für die hohen Anforderungen an Leistung, Wärmemanagement und Datendurchsatz moderner Beschleuniger ausgelegt sind. Die Hardwarearchitektur muss hochdichte Rechenleistung, effiziente Kühlstrategien und Verbindungen mit geringer Latenz unterstützen, um eine skalierbare Leistung zu gewährleisten.

Rackmount-Server sind häufig verwendete Systeme für die GPU-Skalierung. Diese Plattformen, die in der Regel eine Höhe von 1U bis 4U haben, können mehrere Hochleistungs-GPUs wie die NVIDIA H100/H200 oder AMD MI300 aufnehmen.

Hochdichte Multi-GPU-Systeme sind darauf optimiert, maximale Leistung pro Rack-Einheit zu liefern. Diese Server können bis zu 10 oder mehr GPUs in einem einzigen Gehäuse aufnehmen und werden häufig für KI , wissenschaftliche Berechnungen und Echtzeitanalysen eingesetzt. Dichte GPU-Konfigurationen erfordern ein sorgfältiges Systemdesign, um unter Last eine ausgewogene Wärmeverteilung und konstante Leistung zu gewährleisten.

Blade- und modulare Systeme bieten einen flexiblen Ansatz für den Einsatz von GPUs. Diese Architekturen trennen Rechenleistung, Speicher und Netzwerk in modulare Komponenten, sodass Rechenzentren ihre Ressourcen entsprechend den spezifischen Anforderungen der Arbeitslast skalieren können. Zentralisierte Kühlungs- und Verwaltungsfunktionen unterstützen zudem einen effizienteren Betrieb bei größeren Bereitstellungen.

Mit zunehmender Leistung und Dichte der GPUs kann die herkömmliche Luftkühlung unzureichend sein. In Hochleistungsumgebungen werden zunehmend Flüssigkeitskühlungslösungen eingesetzt, um die Wärme zu regulieren und die Systemstabilität aufrechtzuerhalten. Diese Lösungen tragen auch zu einer verbesserten Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bei groß angelegten Implementierungen bei.

Hochgeschwindigkeitsverbindungen spielen eine entscheidende Rolle bei der horizontalen GPU-Skalierung über Knoten hinweg. Technologien wie InfiniBand, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) und NVLink unterstützen die für verteiltes Training, Echtzeitsimulationen und andere parallele Rechenaufgaben erforderliche Kommunikation mit geringer Latenz und hoher Bandbreite.

Anwendungsfälle und Vorteile der GPU-Skalierung

GPU-Skalierung spielt eine entscheidende Rolle in modernen Computerumgebungen, in denen Leistung, Effizienz und Skalierbarkeit von entscheidender Bedeutung sind. Durch den Einsatz von GPUs zur parallelen Datenverarbeitung können Unternehmen den Durchsatz erheblich verbessern und die Verarbeitungszeit für eine Vielzahl von Workloads reduzieren.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen

Das Training von Deep-Learning-Modellen erfordert oft enorme Rechenleistung und große Datensätze. Durch GPU-Skalierung können mehrere GPUs zusammenarbeiten, wodurch die Trainingszeiten verkürzt und Modelle mit Milliarden von Parametern ermöglicht werden. Dies ist besonders wichtig in den Bereichen natürliche Sprachverarbeitung, Computer Vision und generative KI.

Hochleistungsrechnen (HPC)

In der wissenschaftlichen Forschung, im Ingenieurwesen und in der Simulation unterstützt die GPU-Skalierung komplexe mathematische Modellierung, Molekulardynamik, Wettervorhersagen und numerische Strömungsmechanik. Diese Workloads profitieren von der Parallelität und Speicherbandbreite, die GPUs bieten.

Echtzeit-Videoverarbeitung und -Streaming

GPU-Skalierung ist für die Transcodierung hochauflösender Videos, Echtzeit-Rendering und Streaming-Workloads unerlässlich. Medienunternehmen verwenden GPU-beschleunigte Systeme, um mehrere Videostreams gleichzeitig zu verarbeiten und so eine geringe Latenz und eine hohe Ausgabequalität zu gewährleisten.

Datenanalyse und Visualisierung

Groß angelegte Analyseplattformen nutzen GPU-Beschleunigung, um große Datenmengen schneller zu verarbeiten als reine CPU-Systeme. In Bereichen wie Finanzen, Gesundheitswesen und Cybersicherheit ermöglicht die GPU-Skalierung eine schnelle Datenanalyse, Echtzeit-Visualisierung und schnellere Entscheidungsfindung.

Verbesserte Effizienz und niedrigere Gesamtbetriebskosten

Durch die Auslagerung paralleler Aufgaben auf GPUs verbrauchen Systeme weniger Strom pro Vorgang und erzielen eine höhere Leistung pro Watt. Dies führt zu einer effizienteren Ressourcennutzung und niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO), insbesondere in Rechenzentrumsumgebungen.

FAQs

1. Kann GPU-Skalierung in virtualisierten Umgebungen verwendet werden?
   Ja. Moderne Virtualisierungsplattformen unterstützen GPU-Passthrough und Multi-Instance-GPUs (MIG), sodass GPU-Ressourcen in Rechenzentren und Cloud-Umgebungen über virtuelle Maschinen hinweg gemeinsam genutzt oder skaliert werden können.
2. Wie wirkt sich GPU-Skalierung auf die Energieeffizienz aus?
   Durch die Auslagerung paralleler Workloads auf GPUs können Systeme Aufgaben schneller und mit weniger Ressourcen ausführen, wodurch die Leistung pro Watt verbessert und der Gesamtenergieverbrauch im Rechenzentrum gesenkt wird.
3. Können alle Anwendungen von GPU-Skalierung profitieren?
   Anwendungen müssen für die parallele Verarbeitung konzipiert oder optimiert sein, um die Vorteile der GPU-Skalierung nutzen zu können. Workloads wie KI, HPC und Videoverarbeitung lassen sich gut skalieren, während serielle Aufgaben möglicherweise nicht wesentlich davon profitieren.