Porównanie sieci superkomputerów: InfiniBand vs. Ethernet
September 20, 2025
Podsumowanie: Wraz z rosnącą złożonością i intensywnością danych w obciążeniach wysokowydajnego przetwarzania (HPC), wybór technologii łączenia jest krytyczny. Ta analiza techniczna porównuje dwa dominujące paradygmaty w sieci HPC—InfiniBand firmy Mellanox i tradycyjny Ethernet—oceniając ich zalety architektoniczne dla superkomputerów nowej generacji i klastrów badawczych AI.
Dzisiejsze środowiska wysokowydajnego przetwarzania wykraczają poza tradycyjne symulacje naukowe, obejmując szkolenia w zakresie sztucznej inteligencji, analizę dużych zbiorów danych i przetwarzanie w czasie rzeczywistym. Te obciążenia wymagają struktury połączeń, która zapewnia nie tylko surową przepustowość, ale także ultra-niskie opóźnienia, minimalny jitter i wydajne odciążanie procesora. Sieć przekształciła się z pasywnej rury danych w aktywny, inteligentny komponent architektury obliczeniowej, co sprawia, że wybór między InfiniBand vs Ethernet jest fundamentalną decyzją architektoniczną, która dyktuje ogólną wydajność i efektywność klastra.
Podstawowa różnica między InfiniBand a Ethernet leży w ich filozofii projektowania. InfiniBand został pomyślany od samego początku dla środowiska o wysokich stawkach sieci HPC, podczas gdy Ethernet ewoluował z ogólnego standardu sieciowego.
Prowadzony przez Mellanox (obecnie część NVIDIA), InfiniBand oferuje bezstratną strukturę z najnowocześniejszymi funkcjami:
- Natywny RDMA: Zapewnia bezpośredni transfer pamięci do pamięci między serwerami, omijając system operacyjny i procesor, co zmniejsza opóźnienia do poniżej 600 nanosekund.
- Obliczenia w sieci: Technologia SHARP firmy Mellanox umożliwia wykonywanie operacji agregacji (takich jak all-reduce) w strukturze przełącznika, radykalnie zmniejszając objętość danych i przyspieszając operacje zbiorcze.
- Wysoka przepustowość: Wykorzystuje 400 Gb/s NDR InfiniBand, zapewniając spójną przepustowość bez zatorów.
Nowoczesny High-Performance Ethernet (z RoCE - RDMA over Converged Ethernet) poczynił znaczne postępy:
- Znajomość i koszt: Wykorzystuje istniejącą wiedzę IT i może korzystać z korzyści skali.
- RoCEv2: Umożliwia możliwości RDMA w sieciach Ethernet, chociaż wymaga skonfigurowanej bezstratnej struktury (DCB), aby działać optymalnie.
- Prędkość: Oferuje porównywalne surowe wskaźniki przepustowości, z dostępnym 400 Gb/s Ethernet.
Teoretyczne zalety InfiniBand materializują się w wymiernych zyskach wydajności w rzeczywistych środowiskach HPC i AI. Poniższa tabela przedstawia kluczowe różnice w wydajności:
| Metryka | InfiniBand (HDR/NDR) | High-Performance Ethernet (400G) | Kontekst |
|---|---|---|---|
| Opóźnienie | < 0,6 µs | > 1,2 µs | Krytyczne dla ściśle sprzężonych aplikacji MPI |
| Wykorzystanie procesora | ~1% | ~3-5% | Z włączonym RDMA; im niższe, tym lepiej |
| Czas All-Reduce (256 węzłów) | ~220 µs | ~450 µs | Prezentuje zaletę obliczeń w sieci |
| Spójność struktury | Bezstratny z założenia | Wymaga konfiguracji (DCB/PFC) | Przewidywalność przy dużym obciążeniu |
Decyzja InfiniBand vs Ethernet to nie tylko kwestia techniczna; ma ona istotne znaczenie strategiczne. InfiniBand, zasilany technologią Mellanox, konsekwentnie zapewnia doskonałą i przewidywalną wydajność dla ściśle sprzężonych symulacji i szkoleń AI na dużą skalę, co bezpośrednio przekłada się na szybszy czas rozwiązania i wyższe wykorzystanie zasobów. Ethernet oferuje przekonujące zalety w środowiskach heterogenicznych i mieszanych obciążeniach, w których priorytetem jest integracja z szerszymi sieciami korporacyjnymi. Jednak jego wydajność jest często bardziej zależna od skrupulatnej konfiguracji, aby zbliżyć się do wydajności struktury InfiniBand zbudowanej do celu.
W debacie sieci HPC nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania. W przypadku wdrożeń o krytycznym znaczeniu, w których maksymalna wydajność aplikacji, najniższe opóźnienia i najwyższa wydajność są bezwzględne—jak w centrach superkomputerowych najwyższego szczebla—InfiniBand pozostaje niekwestionowanym liderem. W przypadku klastrów uruchamiających zróżnicowane obciążenia lub w których znajomość operacyjna jest najważniejsza, zaawansowane rozwiązania Ethernet stanowią realną alternatywę. Kluczem jest dostosowanie architektury sieci do specyficznych wymagań obliczeniowych i ekonomicznych obciążenia.
Aby określić optymalną strategię łączenia dla swoich potrzeb obliczeniowych, zaangażuj się w szczegółową analizę obciążenia i testy koncepcyjne z partnerami ekspertami. Ocena wzorców komunikacji aplikacji jest pierwszym krokiem do zbudowania zrównoważonej i wydajnej infrastruktury sieci HPC.