晶圆级AI芯片WSE-3性能公布：80亿参数模型上每秒生成1800个Token

今年3月，新创AI芯片公司Cerebras Systems推出了其第三代的晶圆级AI芯片WSE-3，性能达到了上一代WSE-2的两倍，可用于训练业内一些最大的人工智能模型。在近日的Hot Chips 2024大会上，Cerebras Systems详细介绍了这款芯片在AI推理方面的性能。

根据官方资料显示，WSE-3依然是采用了一整张12英寸晶圆来制作，基于台积电5nm制程，芯片面积为46225平方毫米，拥有的晶体管数量达到了4万亿个，拥有90万个AI核心，44GB片上SRAM，整体的内存带宽为21PB/s，结构带宽高达214PB/s。使得WSE-3具有125 FP16 PetaFLOPS的峰值性能，相比上一代的WSE-2提升了1倍。

作为对比，WSE-2芯片面积同样是46225平方毫米，基于台积电7nm制程，晶体管数量为2.6万亿个，AI内核数量为85万个，片上内存SRAM为40GB，内存带宽为20PB/s，结构带宽高达220PB/s。

如果将其与英伟达的H100相比，WSE-3面积将是H100的57倍，内核数量是H100的52倍，片上内存是H100的880倍，内存带宽是H100的7000倍，结构带宽是H100的3715倍。（ H200 的 HBM3e 仅拥有 4.8TBps 的带宽。）

在此次的Hot Chips 2024大会上，Cerebras公布了更多关于WSE-3在运行AI大模型上的性能表现。

Cerebras表示，它在Llama3.1-8B上的推理速度比微软Azure等公司使用NVIDIA H100快了20倍。需要指出的是，在许多现代生成式 AI 工作负载中，推理性能通常更得益于内存带宽的大小，而不单单是计算能力。也就是说，拥有更大的内存带宽，模型的推理速度就越快。

Cerebra Systems首席执行官 Andrew Feldman 称，WSE-3通过使用 44GB片上SRAM，使得其能够以 16 位精度运行 Llama 3.1 8B 时，每秒能够生成超过 1,800 个Token，而性能最好的基于英伟达H100的实例每秒只能生成超过 242 个Token。

与此同时，Cerebras还推出了基于WSE-3的CS-3超级计算机，可用于训练参数高达24万亿的人工智能模型，这比相比基于WSE-2和其他现代人工智能处理器的超级计算机有了重大飞跃。该超级计算机可以支持1.5TB、12TB或1.2PB的外部内存，这使它能够在单个逻辑空间中存储大量模型，而无需分区或重构，从而简化了训练过程，提高了开发人员的效率。

最新的 Cerebras 软件框架可以为PyTorch 2.0 和最新的 AI 模型和技术（如多模态模型、视觉转换器、专家混合和扩散）提供原生支持。Cerebras 仍然是唯一为动态和非结构化稀疏性提供本机硬件加速的平台，相比英伟达的DGX-100计算机系统，将训练速度提高了8 倍。

在运行分布在四个CS-3加速器上的 700 亿参数版本的 Llama 3.1 大模型时，也能够实现每秒 450 个Token。相比之下，H100 可以管理的最佳状态是每秒 128 个Token。

Feldman 认为，这种性能水平，就像宽带的兴起一样，将为 AI 的采用开辟新的机会。“今天，我认为我们正处于 Gen AI 的拨号时代，”他说，并指出了生成式 AI 的早期应用，其中提示的响应会有明显的延迟。

他认为，如果能够足够快地处理请求，就可以基于多个模型构建代理应用程序，而不会因为延迟变得难以为继。Feldman 认为这种性能有益的另一个应用是允许 LLM 在多个步骤中迭代他们的答案，而不仅仅是吐出他们的第一个响应。如果您可以足够快地处理Token，则可以在幕后做更多的处理。

虽然WSE-3能够以 16 位精度运行 Llama 3.1 8B 时，每秒能够生成超过 1,800 个Token，但是如果不是因为系统受计算限制，WSE-3的速度应该能够更快。

该产品代表了 Cerebras 的一些转变，因为此前，Cerebras 主要专注于 AI 训练。虽然现在也开始应用于AI推理，但是硬件本身实际上并没有改变。Feldman表示，他们正在使用相同的 WSE-3 芯片和 CS-3 系统进行推理和训练。

“我们所做的是扩展了编译器的功能，可以同时在芯片上放置多个层，”Feldman解释说。

SRAM 速度很快，但使 HBM 容量更大

虽然 SRAM 在性能方面比 HBM 具有明显的优势，但它的不足之处在于容量。对于大型语言模型 （LLM）来说，44GB的容量并不多，因为必须考虑到键值缓存在WSE-3所针对的高批处理大小下占用了相当多的空间。

Meta 的 Llama 3 8B 模型是 WSE-3 的理想化场景，因为大小为 16GB（FP16），整个模型可以安装在芯片的 SRAM 中，为键值缓存留下大约 28GB 的空间。

Feldman 声称，除了极高的吞吐量外，WSE-3 还可以扩展到更高的批量大小。尽管它究竟可以扩展到多大程度并保持每个用户Token的生成率，这家初创公司不愿透露。“我们目前的批次大小经常变化。我们预计第四季度的批量规模将达到两位数，“Cerebras说道。

当被追问更多细节时，Feldman补充说：“我们目前的批量大小还不成熟，因此我们宁愿不提供它。系统架构旨在以高批量运行，我们预计在未来几周内实现这一目标。”

与现代 GPU 非常相似，Cerebras 通过跨多个 CS-3 系统并行化模型来应对这一挑战。具体来说，Cerebras 正在使用管道并行性将模型的层分布到多个系统。

对于需要 140GB 内存的 Llama 3 70B，该模型的 80 层分布在四个通过以太网互连的 CS-3 系统中。这确实会带来性能损失，因为数据必须通过这些链接。

△由于单个WSE-3只有 44GB SRAM，因此需要将多个加速器连接在一起以支持更大的模型

然而，根据 Feldman 的说法，节点到节点的延迟并不像您想象的那么大。“这里的延迟是真实的，但很小，并且它与通过芯片上所有其他层的Token分摊，”他解释说。“最后，Token上的晶圆到晶圆延迟约占总数的 5%。”

对于更大的模型，例如最近宣布的 4050 亿参数变体的 Llama 3，Cerebras 估计它将能够使用 12 个 CS-3 系统实现每秒约 350 个Token。

利用更高速的片上SRAM来替代HBM并不是一个新鲜事，Cerebra的竞争对手 Groq也是这么做的。

Groq 的语言处理单元 （LPU） 实际上使用了片上SRAM。不同之处在于，由于单个 Groq LPU SRAM 容量较低，因此需要通过光纤连接更多的加速器来支持更大的模型。

Cerebras 需要四个 CS-3 系统才能以每秒 450 个令牌的速度运行 Llama 3 70B，Groq 此前曾表示，它需要 576 个 LPU 才能实现每秒300个Token。而Cerebras 引用的人工智能分析 Groq 基准测试略低，为每秒 250 个Token。

Feldman 还指出，Cerebras 能够在不求助于量化的情况下做到这一点。认为Groq 正在使用 8bit量化来达到他们的性能目标，这减少了模型大小、计算开销和内存压力，但代价是准确性有所损失。

不过，仅比较性能，而忽略整体的成本是不公平的对比。毕竟单个晶圆级的WSE-3芯片的成本也远远高于Groq LPU的成本。