GPU的核心架构及参数

在了解 V100、A100、H100 这几款 GPU 的区别之前，我们先来简单了解下 NVIDIA GPU 的核心参数，这样能够更好地帮助我们了解这些 GPU 的差别和各自的优势。 

● CUDA Core：CUDA Core 是 NVIDIA GPU上的计算核心单元，用于执行通用的并行计算任务，是最常看到的核心类型。NVIDIA 通常用最小的运算单元表示自己的运算能力，CUDA Core 指的是一个执行基础运算的处理元件，我们所说的 CUDA Core 数量，通常对应的是 FP32 计算单元的数量。 

● Tensor Core：Tensor Core 是 NVIDIA Volta 架构及其后续架构（如Ampere架构）中引入的一种特殊计算单元。它们专门用于深度学习任务中的张量计算，如矩阵乘法和卷积运算。Tensor Core 核心特别大，通常与深度学习框架（如 TensorFlow 和 PyTorch）相结合使用，它可以把整个矩阵都载入寄存器中批量运算，实现十几倍的效率提升。 

● RT Core：RT Core 是 NVIDIA 的专用硬件单元，主要用于加速光线追踪计算。正常数据中心级的 GPU 核心是没有 RT Core 的，主要是消费级显卡才为光线追踪运算添加了 RTCores。RT Core 主要用于游戏开发、电影制作和虚拟现实等需要实时渲染的领域。 

在了解了 GPU 的这些核心参数之后，我们再来看看 NVIDIA GPU 架构的演进。

从上图中就可以看出，V100 是前一代的“卡皇”，而 H100 则是新一代的“卡皇”。我们先简单了解下这些架构： 

● Volta 架构：Volta 架构是 NVIDIA GPU 的第六代架构，发布于 2017 年。Volta 架构专注于深度学习和人工智能应用，并引入了 Tensor Core。 

● Turing 架构：Turing 架构是 NVIDIA GPU 的第七代架构，发布于 2018 年。Turing 架构引入了实时光线追踪（RTX）和深度学习超采样（DLSS）等重要功能。 

● Ampere 架构：Ampere 架构是 NVIDIA GPU 的第八代架构，2020 年发布。Ampere 架构在计算能力、能效和深度学习性能方面都有重大提升。Ampere 架构的 GPU 采用了多个流多处理器（SM）和更大的总线宽度，提供了更多的 CUDA Core 和更高的频率。它还引入了第三代 Tensor Core，提供更强大的深度学习计算性能。Ampere 架构的 GPU 还具有更高的内存容量和带宽，适用于大规模的数据处理和机器学习任务。 

● Hopper 架构：Hopper 架构是 NVIDIA GPU 的第九代架构，2022 年发布。相较于 Ampere，Hopper 架构支持第四代 Tensor Core，且采用新型流式处理器，每个 SM 能力更强。Hopper 架构在计算能力、深度学习加速和图形功能方面带来新的创新和改进。

V100 vs A100 vs H100

在了解了 GPU 的核心参数和架构后，我们接下来的对比理解起来就简单多了。

V100 vs A100

V100 是 NVIDIA 公司推出的高性能计算和人工智能加速器，属于 Volta 架构，它采用 12nm FinFET 工艺，拥有 5120 个 CUDA 核心和 16GB-32GB 的 HBM2 显存，配备第一代 Tensor Cores技术，支持 AI 运算。 

A100 采用全新的 Ampere 架构。它拥有高达 6912 个 CUDA 核心和 40GB 的高速 HBM2 显存。A100 还支持第二代NVLink技术，实现快速的 GPU 到 GPU 通信，提升大型模型的训练速度。A100 增加了功能强大的新第三代 Tensor Core，同时增加了对 DL 和 HPC 数据类型的全面支持，以及新的稀疏功能，可将吞吐量进一步翻倍。 

A100 中的 TF32 Tensor Core 运算提供了一种在 DL 框架和 HPC 中加速 FP32 输入/输出数据的简单路径，其运行速度比 V100 FP32 FMA 运算快 10 倍，或者在稀疏性的情况下快 20 倍。对于 FP 16/FP 32 混合精度 DL，A100 的性能是 V100 的2.5倍，稀疏性的情况下提高到 5 倍。 

在跑 AI 模型时，如果用 PyTorch 框架，相比上一代 V100 芯片，A100 在 BERT 模型的训练上性能提升 6 倍，BERT 推断时性能提升 7 倍。

A100 vs H100

NVIDIA H100 采用 NVIDIA Hopper GPU 架构，使 NVIDIA 数据中心平台的加速计算性能再次实现了重大飞跃。H100 采用专为 NVIDIA 定制的 TSMC 4N 工艺制造，拥有 800 亿个 晶体管，并包含多项架构改进。

H100 是 NVIDIA 的第 9 代数据中心 GPU，旨在为大规模 AI 和 HPC 实现相比于上一代 NVIDIA A100 Tensor Core GPU 数量级的性能飞跃。H100 延续了 A100 的主要设计重点，可提升 AI 和 HPC 工作负载的强大扩展能力，并显著提升架构效率。 

新的 SM 架构 

H100 SM 基于 NVIDIA A100 Tensor Core GPU SM 架构而构建。由于引入了 FP8，与 A100 相比，H100 SM 将每 SM 浮点计算能力峰值提升了 4 倍，并且对于之前所有的 Tensor Core 和 FP32 / FP64 数据类型，将各个时钟频率下的原始 SM 计算能力增加了一倍。 

与上一代 A100 相比，采用 Hopper 的 FP8 Tensor Core 的新 Transformer 引擎使大型语言模型的 AI 训练速度提升 9 倍，AI 推理速度提升 30 倍。针对用于基因组学和蛋白质测序的 Smith-Waterman 算法，Hopper 的新 DPX 指令可将其处理速度提升 7 倍。

第四代 Tensor Core 架构 

Hopper 新的第四代 Tensor Core、Tensor 内存加速器以及许多其他新 SM 和 H100 架构的总体改进，在许多其他情况下可令 HPC 和 AI 性能获得最高 3 倍的提升。

与 A100 相比，H100 中新的第四代 Tensor Core 架构可使每时钟每个 SM 的原始密集计算和稀疏矩阵运算吞吐量提升一倍，考虑到 H100 比 A100 拥有更高的 GPU 加速频率，其甚至会达到更高的吞吐量。其支持 FP8、FP16、BF16、TF32、FP64 和 INT8 MMA 数据类型。新的 Tensor Core 还能够实现更高效的数据管理，最高可节省 30% 的操作数传输功耗。 

Hopper FP8 数据格式 

H100 GPU 增加了 FP8 Tensor Core，可加速 AI 训练和推理。FP8 Tensor Core 支持 FP32 和 FP16 累加器，以及两种新的 FP8 输入类型：E4M3（具有 4 个指数位、3 个尾数位和 1 个符号位）和E5M2（具有 5 个指数位、2 个尾数位和 1 个符号位）。E4M3 支持动态范围更小、精度更高的计算，而 E5M2 可提供更宽广的动态范围和更低的精度。与 FP16 或 BF16 相比，FP8 可将所需要的数据存储空间减半，并将吞吐量提升一倍。 

新的 Transformer 引擎可结合使用 FP8 和 FP16 精度，减少内存使用并提高性能，同时仍能保持大型语言模型和其他模型的准确性。

综合 H100 中所有新的计算技术进步的因素，H100 的计算性能比 A100 提高了约 6 倍。首先是 H100 配备 132 个 SM，比 A100 的 108 个 SM 增加了 22%。由于采用新的第四代 Tensor Core，每个 H100 SM 的速度都提升了 2 倍。在每个 Tensor Core 中，新的 FP8 格式和相应的 Transformer 引擎又将性能提升了 2 倍。最后，H100 中更高的时钟频率将性能再提升了约 1.3 倍。通过这些改进，总体而言，H100 的峰值计算吞吐量大约为 A100 的 6 倍。

A800和H800

说好 V100、A100、A800、H100、H800 这些 GPU 来做对比的，怎么没见 A800 和 H800 呢？从型号上看，莫非它们的性能是 A100、H800 的好几倍？ 

事实不然。虽然从数字上来看，800 比 100 数字要大，其实是为了合规对 A100 和 H100 的某些参数做了调整。A800 相对比 A100 而言，仅限制了 GPU 之间的互联带宽，从 A100 的 600GB/s 降至 400GB/s，算力参数无变化。而 H800 则对算力和互联带宽都进行了调整。

A800 虽然在互联带宽上有所降低，但和 A100 在双精方面算力一致，在高性能科学计算领域没有影响。

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