大模型“暴力计算”时代，昇腾如何突围算力之困？ | WAIC2023

前沿科技，数智经济

文｜姚    悦
编｜王一粟

“这两年内，大模型带来了750倍算力需求的增长，而硬件的算力供给（增长）仅有3倍。”华为昇腾计算业务总裁张迪煊在2023世界人工智能大会上，揭开了被大模型“暴力计算”引发巨大算力缺口的真相。 

而这个算力缺口还在进一步扩大当中，张迪煊预计，到2030年 AI 所需的算力，相对2020年还会增长500倍。

与此同时，由于众所周知的原因，算力国产化也迫在眉睫。

针对如何补足算力短板，毕马威中国数字化赋能主管合伙人张庆杰认为，需从三大途径解决，分别是算力建设、基础设施的共享与优化、算法的优化和数据的质量。这其中，算力建设被摆在首要位置。

华为在近年算力建设中颇为积极。据中信证券7月研报，国内现有城市智算中心中，以建设数量计，目前华为占据整体智算中心约79%的市场份额。

除了以量取胜，提升算力集群的能力更为重要。就在2023世界人工智能大会上，华为宣布昇腾AI集群全面升级，集群规模从最初的4000卡集群扩展至16000卡，算力集群迎来“万卡”时代。

华为轮值董事长胡厚崑表示，昇腾AI的集群相当于把AI的算力中心当做一台超级计算机来进行设计，使得昇腾AI集群的性能效率达到10%以上的提升，而且系统稳定性得到十倍以上的提高。

张迪煊在群访中亦对光锥智能透露，早在2018年，华为就判断人工智能会快速发展，并改变过去小模型的开发模式，形成大算力结合大数据生成大模型的模式，所以华为那时候就开始开发算力集群产品。

步入AI时代，已经无法再像单机系统时代那样靠堆芯片拉升算力，而是要系统化重塑算力基建。在扩大巨量算力供给的同时，要解决算力利用率、使用门槛高等问题，最终还要实现算力生态化。

算力集群迎来“万卡”时代

今年ChatGPT引爆算力需求后，硬件端最先火的是GPU，英伟达总市值年内已经上涨了66%，最新为1.05万亿美元。

以英伟达A100为主的GPU成了大模型必备的香饽饽，但仅靠堆卡也无法应对“百模大战”的爆发之势。那么，如何把宝贵的算力资源，发挥到极致？ 

既然单个服务器已经很难满足计算需求，于是将多个服务器连接成一台“超级计算机”，正在成为当下“算力基建”的主攻方向，这台“超级计算机”就是算力集群。

2019年，华为就发布了Atlas 900 AI训练集群，当时由数千颗华为自研昇腾910（主要用于训练）AI芯片构成，到今年6月已经支持到8000卡。而在刚刚结束的世界人工智能大会上，华为更是宣布计划今年年底或者明年年初，做到超过16000张卡的集群。

万卡集群是什么概念？

以1750亿参数量的GPT-3模型训练为例，使用8张V100显卡，训练时长预计要36年，512张V100显卡，训练时间接近7个月，而1024张A100的训练时长可以减少到1个月。 

按照华为的评估，训练GPT-3模型，100B的数据量，在8000卡的Atlas 900 AI集群下需1天即可完成训练，16000卡集群下仅需半天即可完成。 

但别看“万卡”算力大、效率高，真正想要用它去训练模型，绝非易事。

正像中国工程院院士高文所说，“有人说全世界能在1000块卡上同时选连一个模型的只有几千人，能在4000块卡上训练的不超过100个人，在10000块卡上训练模型的人数更少了”，在千卡和万卡上训练和推理数据，对于软件规划、资源调度挑战非常大。 

首先，万卡量级的训练，对分布式并行训练提出了更高的要求。分布式并行训练是一种高效的机器学习方式，将大规模数据集分成多个部分，再在多个计算节点上并行训练模型。这样可以极大缩短训练时间，提高模型准确性和可靠性。

昇腾算力集群的分布式并行训练，就需要倚仗华为自研的昇思MindSpore AI框架。 

昇思MindSpore支持多种模型类型，还开发了一套自动混合并行解决方案，实现数据并行和模型并行的混合并行训练。

相同算力和网络下，这样的双并行策略可实现更大的计算通信比，同时还解决了手动并行架构的现实困难，让大模型开发和调优效率提升。

此外，由于分布式并行训练，每训练出一个结果，需要所有的芯片同步一次，这个过程中，会有出错的概率。这种情况放在万卡规模量级上，就对于稳定性提出更高要求。

“昇腾的可靠性和可用性的设计，可以做到30天长稳的训练，对比业界的最先进3天左右水平，提升了将近10倍性能的稳定性、可用性优势。”张迪煊表示。 

算力集群的效率如何提升？

算力集群还不仅仅是规模扩大，效率也需要有很大提升，否则就会出现卡数越多，算力利用率反而下降的问题。

以华为在内蒙古乌兰察布市部署的数千卡规模的AI集群为例，在同等算力下，计算效率能够提升10%以上。

如果按照昇腾的指标，1000卡的算力约300P，千卡就能提升约30P，万卡就能提升约300P。

“300P算力24小时可以处理数十亿张图像、数千万人DNA、10年左右的自动驾驶数据。”一位从事云计算业务的人士向光锥智能表示，提升算力效率，也就降低了计算成本。

如果说从千卡的300P到万卡的3000P还得靠堆卡“大力出奇迹”，那这10%的效率提升，背后就需要更为复杂的系统性升级。

除了整合华为的云、计算、存储、网络、能源综合优势，昇腾算力集群还进行了架构创新。 

一台服务器就是一个节点，华为在计算节点层面创造性推出了对等平构架构，突破传统了以CPU为中心的异构计算带来的性能瓶颈，从而提升整个计算的带宽、降低时延，节点性能得到30%的提升。

此外，算力可是用电超级大户，尤其是上百台服务器联合起来，降低能耗也需要同步实现。

计算能力提升，服务器能耗也越来越高，传统风冷已经无法支撑高散热，就亟需解决如何能在政策严格限制PUE（电力使用效率）的情况下，仍保证服务器散热能力的问题。

在几种散热路线中，液冷被认为是主流的解决方案之一。

液冷方案本就比传统风冷方案更省电，昇腾采用了直接把冷夜注入每块芯片的精准供给方式，相比浸没式（流浪地球中放入海底的方案），可以降低日常运维的成本，也减少冷却液泄露污染环境的风险。

“精准供给取决于芯片板卡上都设置传感器、电控阀门，再加上中央控制，可以实现为不同芯片在不同的负荷下，提供精细化冷量输送。”华为计算工作人员向光锥智能介绍。

2021年11月，发改委等部门发布的文件明确指出，新建大型、超大型数据中心PUE低于1.3，而内蒙古、贵州、甘肃、宁夏节点的数据中心的PUE更是要控制在1.2以下。昇腾的算力集群已经实现低于1.15的PUE。

降低算力门槛，要靠生态

“电力是即插即用的，基本上不需要教老百姓怎么用。而算力，即便你提供给企业，很多人是不会用的。”中国工程院院士、中国互联网协会咨询委员会主任邬贺铨表示，现在算力（使用）门槛太高。

一位业内人士也向光锥智能表示：“中小企业很难得到训练服务器的技术支持，加上国产软件生态缺失，中小企业也很难自己玩转。”

即便算力集群怎么强大，需求端打不开，也终将会制约整个算力发展。而AI算力能否达到像电力一样的“低门槛”使用标准，生态尤为重要。

这也是为什么英伟达当年遭受华尔街的“白眼”，也要不计成本投入CUDA软件系统的原因。正是CUDA，实现让一个普通学生就可以进行显卡编程，英伟达进而利用软硬件协同，打造生态系统，最大程度扩大了算力供应。

除了英伟达，苹果在实现良好的用户体验方面，更早印证了生态系统的重要性。

当前，华为昇腾已经搭建了一套自主创新的软硬件全栈系统，包括昇腾AI集群系列硬件、异构计算架构CANN、全场景AI框架昇思MindSpore、昇腾应用使能MindX以及一站式开发平台ModelArts等。CANN正是对标英伟达的CUDA + CuDNN的核心软件层。

张迪煊表示，“昇腾AI支持了中国近一半原创大模型的原生创新，也是目前国内唯一完成千亿参数大模型开发并商用的技术路线，各开源的Transformer类大模型实测训练性能，可以达到业界的1.2倍。”

这些背后，则是华为将上述的软件开源、硬件开放。 

首先，在基础软件上，昇腾围绕大模型开发、训练、微调、推理等全流程，进行了一系列的开源和支持。

除了已将AI框架昇思MindSpore开源，昇腾还提供了大模型的开发套件，可以支持十几行代码的全流程脚本开发。用张迪煊的话讲，就是“为了让大模型开发做到开箱即用”。

微调是大模型具备行业属性的关键环节，对应用效果起决定性作用。对此，华为昇腾提供了低参微调模块，集成了多种微调算法。张迪煊介绍，包括 LoRA、P-Tuning 等仅需 5%的微调参数，可实现全参微调的效果。

此外，针对大模型推理部署难、成本高等一系列的问题，华为昇腾在开发工具链 MindStudio 上集成了自动剪枝、蒸馏、量化工具，“精度损失0.5%的基础上，做到了20倍的模型压缩”张迪煊介绍，推理阶段支持在线分布推理，能够使应用快速上线，推理时延小于50毫秒。

“张迪煊介绍，推理阶段支持在线分布推理，能够使应用快速上线，推理时延小于50毫秒。

硬件方面，华为也对外提供主板、SSD、网卡、RAID卡、Atlas模组和板卡，来支持合作对象的AI硬件产品开发。

基于当前算力供应紧缺的情况，华为昇腾也重点针对“算子和模型”，提出了的迁移、适配的方案。

训推一体化

行业落地最后一公里

在初步搭建算力生态后，能否持续良性运转，最终还要回归到大模型商业化的问题上。

“不作诗，只做事”，华为刚刚发布的大模型盘古3.0，与其他国内大模型一样，落地的重点都放在了“行业”身上。而且盘古大模型已经在天气预测、药物研发和选煤等诸多行业、超过1000个项目中“上岗”。

不过，对于国产大模型整体来说，在深度满足行业需求上，还面临一些问题。 

“企业的需求非常具体，比如‘在这堆垃圾里，识别出有价值的金属’，这经过训练的小学生就可以做到，而对于大模型，企业的这种需求就太重了，而且可能最终的效果也不是很好。”企业服务商用友的一位工作人员向光锥智能表示，直接调用通用AI能力，无法满足行业中广泛存在的差异化智能需求。

华为把大模型分成三个层级，L0、L1、L2。L0就是基础通用模型，在基础模型L0的基础上，加上行业数据，混合训练得到的行业大模型是L1，然后再把L1针对具体下游千行百业的细分场景进行一些部署，得到细分场景的任务模型L2。

现在，无论是对于华为还是其他大模型企业，如何从行业大模型L1中快速生产L2模型，还有部署L2模型到端侧、边侧和云侧，成为打通行业应用最后一公里的问题。 

针对这最后一公里，昇腾联合科大讯飞、智谱AI、云从等上游的大模型合作对象，提出了“训推一体化”方案。

简单理解，做模型训练就相当于大学学习阶段，推理部署（训练好的模型在特定环境中运行）就是正式上岗，训推一体化就是“边学习边实习”。 

通用大模型一般都是基于广泛的公开文献与网络信息来训练，信息混杂，许多专业知识与行业数据积累不足，会导致模型的行业针对性与精准度不够，数据“噪音”过大。同时，又由于行业数据获取难，技术与行业结合难，大模型在行业的落地进展较慢。 

训推一体化，支持中心节点将模型下发至企业的边缘节点进行推理，边缘站点再将数据回传至中心，进行算法更新和增量训练，实现自主演进能力。也就是，“学生主动向更适应就业岗位的方向深造”。

这样一来，就保证训练到推理的循环生产流程不再割裂。并且把发展行业大模型更大的主动权，交到了行业和企业自身，无疑能最大化满足行业的AI应用与开发场景，实现AI基础设施与行业需求深度融合。

相较于中心训练、边缘推理，训推一体化对于中小企业来说，部署成本也会更低，更会加速中小企业加入行业、场景大模型的“培养”。

对于整个算力生态来说，尽快打通这最后一公里，也就意味着被真正激活，才会有可持续的发展。

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