悄然崛起的英偉達新對手
時間：24-06-19 來源：半導體行業觀察
悄然崛起的英偉達新對手
英偉達都有哪些對手？
首選當然是AMD和英特爾，前者本身就有AI加速卡的業務，集CPU和GPU設計能力與一身，而后者呢，作為x86架構的奠基人，如今也涉足AI加速卡領域，可以見到它們所推出的產品不僅在參數上對標英偉達，還在定位與售價等方面發動了一輪又一輪的攻勢。
而英偉達的客戶與博通和Marvell組成統一戰線后，也成了它的對手，不斷推陳出新的自研定制芯片，開始取代傳統的通用AI加速卡，讓英偉達感受到了另一種壓力。
而在網絡領域，英偉達也迎來了自己的對手。
英偉達獨占AI網絡
進入21世紀以來，隨著云計算、大數據的日益普及，數據中心得到了快速發展。而InfiniBand在其中發揮了很大的作用，尤其是從2023年開始，以ChatGPT為代表的大型AI模型依賴于InfiniBand，讓這一網絡技術的關注度進一步提升。
眾所周知，現代數字計算機自誕生以來就一直采用馮·諾依曼體系結構，該體系結構中有CPU（算術邏輯單元和控制單元）、內存（RAM、硬盤）和I/O（輸入/輸出）設備。20世紀90年代初，為了支持越來越多的外部設備，Intel率先在標準PC架構中引入了外圍組件互連（PCI）總線設計。
隨后，互聯網進入快速發展階段，在線業務和用戶規模的不斷增長對IT系統容量提出了巨大挑戰。在摩爾定律的支持下，CPU、內存、硬盤等部件都在飛速進步，而PCI總線的更新換代速度卻比較慢，大大限制了I/O性能，成為了整個系統的瓶頸。
為了解決這個問題，Intel、微軟和SUN牽頭制定了“下一代I/O（NGIO）”技術標準，而IBM、康柏和惠普則牽頭制定了“未來I/O（FIO）”，并于1998年聯合制定了PCI-X標準。
1999 年，FIO 開發者論壇和 NGIO 論壇合并成立了InfiniBand 貿易協會 (IBTA)。很快，在2000年，InfiniBand架構規范1.0版本正式發布。InfiniBand誕生的目的就是為了取代PCI總線，它引入了RDMA協議，提供更低的延遲、更高的帶寬、更高的可靠性，從而實現更強大的I/O性能。
同樣在1999年5月，幾位從英特爾和伽利略科技公司出走的員工在以色列成立了一家叫Mellanox的芯片公司， Mellanox 成立后加入了 NGIO，后來 NGIO 與 FIO 合并，Mellanox 也加入了 InfiniBand陣營，并于 2001 年推出了第一款 InfiniBand 產品。
而隨著英特爾轉向PCI Express（PCIe），以及微軟退出InfiniBand，該網絡技術開始轉向計算機集群互聯的應用領域，而新成立的Mellanox開始走上舞臺，逐漸成為InfiniBand發展過程中的中堅力量。
InfiniBand雖然同時被英特爾和微軟放棄，但它在新的領域中找到了增長點。2012年以后，隨著高性能計算（HPC）需求的不斷增長，InfiniBand技術不斷取得長足進步，市場份額不斷提升。2015年，InfiniBand技術在TOP500榜單中的份額首次突破50%，達到51.4%（257個系統）。這標志著InfiniBand技術首次成功挑戰以太網技術，成為超級計算機首選的內部互連技術。
而Mellanox也在不斷成長：2010年，Mellanox與Voltaire合并，Mellanox和QLogic成為InfiniBand的主要供應商；2013年，Mellanox 進一步進軍網絡領域，收購硅光技術公司 Kotura 和并行光互連芯片制造商 IPtronics，進一步鞏固其行業地位；到 2015 年，Mellanox 已占據全球 InfiniBand 市場80% 的份額。業務范圍從芯片擴展到網卡、交換機/網關、遠程通信系統、線纜和模塊，成為世界級網絡供應商。
隨著AI的持續發展，InfiniBand的價值也日益顯現，Mellanox也因其在該技術上近乎壟斷的地位而成為廠商眼里的香餑餑。
為什么InfiniBand對于AI如此重要？對于AI超級計算機來說，我們可以把它看作一個由許多圖形處理單元（GPUs）組成的集群，這些單元進行大量復雜的計算。此外，還有一些中央處理單元（CPUs）負責指揮計算機的操作，再加上一些DRAM芯片和NAND芯片，成本大約分配為：50-60%用于GPUs，10-15%用于CPUs和DRAM芯片，5-10%用于NAND芯片。
但上述所有的芯片需要互相連接，這可以通過InfiniBand或以太網電纜來實現，也就是所謂的“網絡”，它們占硬件成本的10-15%，而目的就是提供盡可能高的帶寬，讓數據能快速傳輸，倘若不能實現更高的帶寬，那么無論在GPUs上花費多少成本，最后都會變得毫無意義。
英偉達作為AI領域最早的探索者之一，很敏銳地察覺到了這一點，同時決定將其關注點從游戲轉向AI。2019 年，英偉達以69 億美元收購 Mellanox，超過了競爭對手英特爾和微軟的出價，后兩者的出價分別為 60 億美元和 55 億美元，這筆數額龐大的收購，為英偉達進入網絡技術市場鋪平了道路。
當時英偉達的CEO黃仁勛解釋稱，收購Mellanox的原因是：“這是兩家全球領先的高性能計算公司的合并，我們專注于加速計算，而Mellanox則專注于互連和存儲。”
GPU和網絡技術捆綁銷售，聽起來有點像強買強賣，但令許多人都未預料到的是，由黃仁勛所打造的這一模式迅速取得了成功。截至今年1月，英偉達的年收入翻了一番多，達到609億美元，計算和網絡部門的銷售額增長了215%，占英偉達業務的78%。雖然英偉達的GPU部分引起了大量關注，但其網絡業務也是成功的關鍵。在公司的最后一次財報電話會議上，黃仁勛表示，InfiniBand的收入同比增長了五倍，意味著其增長速度約為整個計算和網絡業務的兩倍。
英偉達將自身的 GPU 算力與 Mellanox 的網絡技術相結合，打造出了一個強大的“計算引擎”，在計算基礎設施方面，英偉達無疑占據著領先優勢，
英偉達的大威脅
過去，業界一直在使用英偉達配套的 InfiniBand 網絡解決方案來部署人工智能和機器學習技術，原因很簡單，它是目前最成熟的支持大規模部署的網絡技術，但InfiniBand并非完美，一方面由于收購，它變成了英偉達的獨家產品，另一方面，它的成本昂貴，絕非普通企業可以輕松承擔得起的。
英偉達的CEO黃仁勛曾調侃道，InfiniBand只占集群成本的20%，而它能將人工智能訓練的性能提高20%，某種程度上已經收回了成本，因而InfiniBand實際上是免費的。但這樣的論斷顯然是有失偏頗的，客戶必須首先拿出集群成本的20%，才能真正榨取出集群的性能，這就意味著用120%的成本創造120%的性能。
相對比之下，基于以太網的集群通常只需要額外的10% 甚至更低的成本，盡管后者在性能上往往難以與InfiniBand匹敵，但它憑著自己的低廉價格也爭取到了一部分用戶。事實上，如今高性能網絡的競爭，是InfiniBand與高速以太網的較量，資源充足的廠商會更傾向于選擇InfiniBand，而注重性價比的廠商則可能傾向于高速以太網。
但這樣的情況并非一成不變，即便是那些具備雄厚財力的大企業，也在尋找更廉價更合適的網絡方案，英偉達與InfiniBand正在不斷受到挑戰。
2023年7月，Linux基金會宣布，將監督成立一個超級以太網聯盟，該聯盟的創始成員包括AMD、Arista、Broadcom、思科、Eviden、HPE、英特爾、Meta 和微軟的支持下，超以太網聯盟表示將致力于改進以太網，以滿足高性能計算和人工智能系統所需的低延遲和可擴展性要求。
該聯盟創立的首要任務是定義和開發他們所稱的超以太網傳輸（UET）協議，這是一種新的以太網傳輸層協議，能更好地滿足人工智能和 HPC 工作負載的需求。
在高層次上，超以太網聯盟希望以外科手術的方式完善以太網，只對實現目標所必需的部分進行改進和改動。從一開始，該聯盟就著眼于改進以太網技術的軟件層和物理層，但不改變其基本結構，以確保成本效益和互操作性。
聯盟的技術目標包括開發規范、應用程序接口和源代碼，以定義超以太網通信的協議、接口和數據結構。此外，聯盟還致力于更新現有的鏈路和傳輸協議，創建新的遙測、信令、安全和擁塞機制，以更好地滿足大型人工智能和高性能計算集群的需求。同時，由于人工智能和高性能計算工作負載有許多不同之處，UET 將為適當的部署提供單獨的配置文件。
得益于這個超級以太網聯盟，過去以太網運行 AI 工作負載的幾個問題正在解決，也推動了以太網在傳統 HPC 工作負載中的更廣泛采用，這也讓以太網網絡公司找到了反攻InfiniBand的機會。
超級以太網聯盟成員之一，以太網絡公司Arista Networks在今年2月的財報電話會議中，其首席執行官Jayshree Ullal解釋了InfiniBand和以太網之間的區別：“如你所知，從歷史上看，當單獨考慮InfiniBand和以太網時各有優勢。傳統上，InfiniBand被認為是無損的，而以太網被認為有一些損失特性。然而當你實際將一個完整的GPU集群連同光學設備等一同考慮，并查看所有數據包大小上的任務完成時間一致性時，數據——包括來自博通的第三方數據——顯示在現實環境中比較這些技術，以太網的任務完成時間大約快10%。所以，你可以孤立地看待這些技術，也可以在實際集群中看待它們。而在實際集群中，我們已經看到以太網的改進。請記住，這只是我們今天所知的以太網。一旦我們有了超級以太網聯盟和一些改進，比如數據包噴灑、動態負載平衡和擁塞控制，我相信這些數字會變得更好。”
“Arista聲稱其以太網在任務完成速度上比InfiniBand快約10%，這一點令我們感到意外，特別是考慮到InfiniBand在當前GPU集群中的深度滲透。”Jefferies分析師George Notter在會議后表示。
他指出，英偉達將GPUs與InfiniBand簡單捆綁銷售是該技術成功的關鍵原因，換句話說，InfiniBand受歡迎的部分原因是因為它與英偉達的GPU一起銷售，但這現在GPU的積壓訂單減少了，使用InfiniBand的動機可能也會減少，這對Arista以及另一家以太網網絡公司博通來說是個好消息。
“我們在四個主要的AI以太網集群中取得了進展，這些集群都是我們戰勝InfiniBand的案例。在所有四個案例中，我們現在正從試驗轉向試點，每年連接數千個GPU，”Arista首席執行官Jayshree Ullal解釋道。
Arista在上季度業績表現也非常不錯，截至3月的三個月中，Arista的收入同比增長了16%，每股收益增長了44%，分析師預計隨著AI基礎設施支出的增加，這一增長將會加速。Arista約40%的業務來自微軟和Meta，這兩家公司都宣布明年將再次增加資本支出。Jefferies分析師George Notter最近還將Arista的評級從持有上調至買入，他表示：“現在，部署基于GPU的基礎設施（包括以太網）的熱潮將會持久。”
Arista并不是唯一一家受益于“部署熱潮”的網絡公司。博通截至2月4日的三個月收入同比增長了34%，達到120億美元，其中網絡收入增長了46%，達到33億美元。“這主要是由于我們的兩個超大規模客戶對AI加速器的強勁需求，”博通首席執行官Hock Tan在財報電話會議上解釋道。
對網絡硬件的需求比博通預期的還要快，“超大規模客戶以及部署AI數據中心的大型企業的強勁需求”推動了這一增長。因此，博通將其網絡業務的全年增長預期從30%上調至35%。整體而言，博通今年的收入預計為500億美元，比去年增長40%。
國外媒體nextplatform提出了一個有趣的數學問題：Arista Networks 在 AI 集群互連銷售中每賺取 7.5 億美元，英偉達可能會損失 15 億至 22.5 億美元。在過去的 12 個月中，粗略估計英偉達在 InfiniBand 網絡方面的銷售額為 64.7 億美元，而數據中心的 GPU 計算銷售額為 397.8 億美元，在四比一的分紅率和穩定的市場條件下，英偉達可以保留約 13 億美元，而超級以太網聯盟可以保留 17 億至 26 億美元，如果一切保持不變，InfiniBand 的銷售目標將達到 120 億美元。
該媒體指出，超級以太網聯盟的成員可以搶占的市場份額很大，但他們將通過從系統中移除收入來搶占，就像 Linux 對 Unix 所做的那樣，而不是將收入從一種技術轉換為另一種技術，其中節省下來的資金將重新投入到 GPU 中。
挑戰英偉達
英偉達不止是在網絡領域受到挑戰，正如我們前文中提到的，它的最大依仗——GPU正在受到AMD、英特爾、博通等公司的圍剿，盡管它坐擁3萬億美元市值，但依然會倍感壓力。
在網絡市場，Arista現在無疑還是非常弱小的一家公司，相較于英偉達InfiniBand動輒數十億美元的營收，短期內它還難以挑戰，但巨頭們對于AI集群網絡壟斷的不滿，讓Arista獲得快速發展的寶貴機會，假以時日，它很有可能成為英偉達新的心腹大患。
摘自-半導體行業觀察
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