Qu'est-ce que la mise à l'échelle GPU ?

Le dimensionnement GPU désigne le processus consistant à utiliser des processeurs graphiques (GPU) pour accélérer et dimensionner les performances des charges de travail gourmandes en calcul. Dans les environnements d'entreprise, le dimensionnement GPU permet aux systèmes de traiter des ensembles de données plus volumineux, d'entraîner des modèles d'apprentissage automatique plus approfondis, de rendre des visualisations complexes et de gérer des flux vidéo à haut débit en répartissant les tâches sur plusieurs cœurs ou nœuds GPU. Ce dimensionnement peut être réalisé au sein d'un seul système ou sur plusieurs clusters GPU dans un centre de données moderne.

Il est important de noter que dans le contexte grand public, le terme « mise à l'échelle GPU » peut également faire référence à l'ajustement des rapports d'aspect pour l'adaptation de la résolution d'affichage. Cependant, dans le cadre d'une utilisation en entreprise et dans les centres de données, la mise à l'échelle GPU fait principalement référence à la mise à l'échelle des performances grâce à l'accélération GPU.

Comment fonctionne la mise à l'échelle GPU

La mise à l'échelle GPU fonctionne en répartissant les tâches de calcul sur un ou plusieurs GPU afin d'accélérer les performances et de traiter des charges de travail plus importantes ou plus complexes. Cela peut se produire au sein d'un seul serveur équipé de plusieurs GPU, ou sur un système distribué où les GPU sont regroupés et interconnectés pour fonctionner comme une ressource unifiée.

Le traitement parallèle est au cœur de la mise à l'échelle des GPU. Contrairement aux CPU, qui disposent d'un petit nombre de cœurs puissants optimisés pour le traitement séquentiel, les GPU contiennent des milliers de cœurs plus petits conçus pour exécuter simultanément de nombreuses opérations. Cela les rend idéaux pour des tâches telles que l'inférence et l'entraînement en apprentissage profond, les simulations de recherche et développement, le rendu 3D et le transcodage vidéo en temps réel.

Mise à l'échelle verticale

La mise à l'échelle verticale des GPU consiste à ajouter des GPU plus puissants ou supplémentaires à un seul système. Cette approche augmente la densité de calcul et est idéale pour les charges de travail hautes performances qui nécessitent une large bande passante mémoire entre le CPU et le GPU, ainsi qu'une communication intra-GPU rapide.

Mise à l'échelle horizontale

La mise à l'échelle horizontale des GPU connecte plusieurs systèmes ou nœuds compatibles GPU via un réseau haut débit. Cette méthode permet une formation et un traitement distribués sur plusieurs serveurs, offrant ainsi une évolutivité à l'échelle d'un centre de données ou d'un cluster. Des technologies telles que NVIDIA NVLink, InfiniBand et RDMA over Converged Ethernet (RoCE) sont couramment utilisées pour prendre en charge des interconnexions à haut débit et faible latence.

Orchestration logicielle

La mise à l'échelle de la charge de travail est gérée à l'aide de piles logicielles et de frameworks spécialisés. CUDA, OpenCL et des bibliothèques optimisées par les fournisseurs gèrent l'exécution des tâches, tandis que des outils d'orchestration tels que Kubernetes, avec une planification tenant compte des GPU, répartissent efficacement les charges de travail entre les nœuds. Ces plateformes garantissent une allocation dynamique des ressources afin de répondre aux demandes de charge de travail tout en maintenant les performances et la fiabilité.

Exigences en matière d'infrastructure et de matériel pour la mise à l'échelle des GPU

Pour permettre la mise à l'échelle des GPU dans les environnements d'entreprise, il faut des systèmes spécialement conçus pour répondre aux exigences élevées en matière de puissance, de gestion thermique et de débit de données associées aux accélérateurs modernes. L'architecture matérielle doit prendre en charge le calcul haute densité, des stratégies de refroidissement efficaces et des interconnexions à faible latence afin de garantir des performances évolutives.

Les serveurs montés en rack sont des systèmes fréquemment utilisés pour la mise à l'échelle des GPU. Ces plateformes, dont la hauteur varie généralement entre 1U et 4U, peuvent accueillir plusieurs GPU hautes performances tels que les NVIDIA H100/H200 ou AMD MI300.

Les systèmes multi-GPU haute densité sont optimisés pour offrir des performances maximales par unité de rack. Ces serveurs peuvent accueillir jusqu'à 10 GPU ou plus dans un seul châssis et sont couramment utilisés dans la formation de modèles d'IA, le calcul scientifique et l'analyse en temps réel. Les configurations GPU denses nécessitent une conception minutieuse du système afin de maintenir un équilibre thermique et des performances constantes sous charge.

Les systèmes à lames et modulaires offrent une approche flexible du déploiement des GPU. Ces architectures séparent le calcul, le stockage et la mise en réseau en composants modulaires, ce qui permet aux centres de données d'adapter leurs ressources en fonction des besoins spécifiques en matière de charge de travail. Les fonctions centralisées de refroidissement et de gestion permettent également un fonctionnement plus efficace dans le cadre de déploiements à grande échelle.

À mesure que la puissance et la densité des GPU augmentent, le refroidissement par air traditionnel peut s'avérer insuffisant. Les solutions de refroidissement liquide sont de plus en plus adoptées dans les environnements haute performance pour gérer la chaleur et maintenir la stabilité du système. Ces solutions contribuent également à améliorer l'efficacité énergétique et la durabilité dans les déploiements à grande échelle.

Les interconnexions haut débit jouent un rôle essentiel dans la mise à l'échelle horizontale des GPU entre les nœuds. Des technologies telles que InfiniBand, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) et NVLink prennent en charge les communications à faible latence et haut débit nécessaires à l'entraînement distribué, à la simulation en temps réel et à d'autres tâches de calcul parallèle.

Cas d'utilisation et avantages de la mise à l'échelle GPU

La mise à l'échelle des GPU joue un rôle essentiel dans les environnements informatiques modernes où les performances, l'efficacité et l'évolutivité sont primordiales. En exploitant les GPU pour traiter les données en parallèle, les entreprises peuvent considérablement améliorer leur débit et réduire le temps de traitement pour un large éventail de charges de travail.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

La formation des modèles d'apprentissage profond nécessite souvent une puissance de calcul considérable et des ensembles de données volumineux. La mise à l'échelle des GPU permet à plusieurs GPU de fonctionner ensemble, ce qui accélère les temps de formation et permet de créer des modèles comportant des milliards de paramètres. Cela est particulièrement important dans le traitement du langage naturel, la vision par ordinateur et l'IA générative.

Calcul à haute performance (HPC)

Dans les domaines de la recherche scientifique, de l'ingénierie et de la simulation, la mise à l'échelle des GPU prend en charge la modélisation mathématique complexe, la dynamique moléculaire, les prévisions météorologiques et la dynamique des fluides computationnelle. Ces charges de travail bénéficient du parallélisme et de la bande passante mémoire fournis par les GPU.

Traitement et diffusion vidéo en temps réel

La mise à l'échelle GPU est essentielle pour le transcodage vidéo haute résolution, le rendu en temps réel et les charges de travail de streaming. Les entreprises du secteur des médias utilisent des systèmes accélérés par GPU pour gérer simultanément plusieurs flux vidéo, garantissant ainsi une faible latence et une sortie de haute qualité.

Analyse et visualisation des données

Les plateformes d'analyse à grande échelle utilisent l'accélération GPU pour traiter des ensembles de données volumineux plus rapidement que les systèmes équipés uniquement d'un processeur. Dans des domaines tels que la finance, la santé et la cybersécurité, la mise à l'échelle GPU permet une analyse rapide des données, une visualisation en temps réel et une prise de décision plus rapide.

Efficacité améliorée et coût total de possession réduit

En transférant les tâches parallèles vers les GPU, les systèmes consomment moins d'énergie par opération et offrent de meilleures performances par watt. Cela permet une utilisation plus efficace des ressources et réduit le coût total de possession (TCO), en particulier dans les environnements de centres de données.

FAQ

1. Le GPU scaling peut-il être utilisé dans des environnements virtualisés ?
   Oui. Les plateformes de virtualisation modernes prennent en charge le GPU passthrough et les GPU multi-instances (MIG), ce qui permet de partager ou de dimensionner les ressources GPU entre les machines virtuelles dans les environnements de centres de données et de cloud.
2. Quel est l'impact du GPU scaling sur l'efficacité énergétique ?
   En déchargeant les charges de travail parallèles vers les GPU, les systèmes peuvent accomplir leurs tâches plus rapidement et avec moins de ressources, améliorant ainsi les performances par watt et réduisant la consommation énergétique globale du centre de données.
3. Toutes les applications peuvent-elles bénéficier de la mise à l'échelle GPU ?
   Les applications doivent être conçues ou optimisées pour le traitement parallèle afin de tirer parti de la mise à l'échelle GPU. Les charges de travail telles que l'IA, le HPC et le traitement vidéo s'adaptent bien, tandis que les tâches en série peuvent ne pas en bénéficier de manière significative.