以下文章來(lái)源于谷歌云服務(wù)，作者 Google Cloud

Amin Vahdat

Google Cloud ML、系統(tǒng)和 Cloud AI 副總裁暨總經(jīng)理

在 Google Cloud Next 25 大會(huì)上，我們隆重推出第 7 代 Tensor Processing Unit (TPU) — Ironwood。這不僅是我們迄今為止性能最高、擴(kuò)展性最佳的定制 AI 加速器，更是第一款專為推理而設(shè)計(jì)的 TPU。

十多年來(lái)，TPU 一直為 Google 最嚴(yán)苛的 AI 訓(xùn)練與執(zhí)行工作負(fù)載提供支持，并助力我們的云端客戶實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)。Ironwood 是我們至今最強(qiáng)大、功能最全面且能效最高的 TPU，專為大規(guī)模驅(qū)動(dòng)思考型（thinking）、推理型（inferential）的 AI 模型而打造。

Ironwood 的問(wèn)世，代表著 AI 發(fā)展及其底層基礎(chǔ)架構(gòu)演進(jìn)的重大轉(zhuǎn)變。從為人們提供實(shí)時(shí)信息以供解讀的響應(yīng)式 AI （responsive AI）模型，轉(zhuǎn)向能夠主動(dòng)生成洞察和解讀的模型。這就是我們所說(shuō)的「推理時(shí)代」（age of inference)，在這個(gè)時(shí)代，AI agent 將主動(dòng)檢索和生成數(shù)據(jù)，以協(xié)同方式提供洞察與解答，而不僅僅是提供數(shù)據(jù)。

Ironwood 的構(gòu)建旨在支持生成式 AI 的下一個(gè)發(fā)展階段及其龐大的計(jì)算和通信需求。Ironwood 可以擴(kuò)展到高達(dá) 9,216 顆液冷芯片（liquid cooled chips），這些芯片通過(guò)突破性的芯片間互連 (Inter-Chip Interconnect, ICI) 網(wǎng)絡(luò)相連。它是 Google Cloud AI Hypercomputer 架構(gòu)的多項(xiàng)新組件之一，該架構(gòu)旨在整合優(yōu)化硬件與軟件層面，以應(yīng)對(duì)最嚴(yán)苛的 AI 工作負(fù)載。通過(guò) Ironwood，開(kāi)發(fā)者還能利用 Google 自家的 Pathways 軟件堆棧，可靠且輕松地利用數(shù)萬(wàn)個(gè) Ironwood TPU 的組合計(jì)算能力。

以下我們將深入探討這些創(chuàng)新如何協(xié)同運(yùn)作，以無(wú)與倫比的性能、成本和能效來(lái)處理最嚴(yán)苛的訓(xùn)練與執(zhí)行工作負(fù)載。

以 Ironwood 驅(qū)動(dòng)推理時(shí)代

Ironwood 的設(shè)計(jì)旨在從容應(yīng)對(duì)「思考模型」的復(fù)雜計(jì)算和通信需求，這類模型涵蓋了大語(yǔ)言模型 (LLMs)、專家混和模型 (Mixture of Experts, MoEs) 和進(jìn)階推理任務(wù)。這些模型需要大規(guī)模并行處理能力和高效的內(nèi)存訪問(wèn)。

特別的是，Ironwood 的設(shè)計(jì)著重于在執(zhí)行大量的張量運(yùn)算的同時(shí)，最大限度地降低芯片上的數(shù)據(jù)移動(dòng)和延遲。在前沿應(yīng)用方面，思考模型的計(jì)算需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何單一芯片的處理容量。我們?yōu)?Ironwood TPU 設(shè)計(jì)了低延遲、高帶寬的 ICI 網(wǎng)絡(luò)，以支持在整個(gè) TPU Pod 規(guī)模下進(jìn)行協(xié)調(diào)且同步的通信。

針對(duì) Google Cloud 客戶，Ironwood 根據(jù) AI 工作負(fù)載的需求提供兩種規(guī)模配置：256 顆芯片配置和 9,216 顆芯片配置。

當(dāng)擴(kuò)展到每個(gè) Pod 達(dá) 9,216 顆芯片時(shí)，總運(yùn)算能力可達(dá) 42.5 百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒（42.5 Exaflops），是世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī) El Capitan 的24 倍以上，后者每個(gè) Pod 僅提供 1.7 百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒 (1.7 Exaflops)。Ironwood 提供的大規(guī)模并行處理能力，能夠支持最嚴(yán)苛的 AI 工作負(fù)載，例如用于訓(xùn)練和推理、具備思考能力的超大型密集 LLM 或 MoE 模型。每顆獨(dú)立芯片的峰值計(jì)算能力高達(dá) 4,614 萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒（4,614 TFLOPs），代表著 AI 能力的巨大飛躍。此外，Ironwood 的內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)確保了在如此龐大的規(guī)模下，始終能夠提供正確的數(shù)據(jù)可支持峰值性能。

Ironwood 還配備了增強(qiáng)版的 SparseCore，這是一種專門用于處理高級(jí)排名和推薦系統(tǒng)工作負(fù)載中常見(jiàn)的超大規(guī)模嵌入（embeddings）的加速器。Ironwood 對(duì) SparseCore 的支持?jǐn)U大，使其能加速更廣泛的工作負(fù)載，甚至跨越傳統(tǒng) AI 領(lǐng)域，進(jìn)入金融和科學(xué)等領(lǐng)域。

Google DeepMind 開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)行時(shí)架構(gòu) Pathways，能在多個(gè) TPU 芯片間實(shí)現(xiàn)高效的分布式計(jì)算。Google Cloud 上的 Pathways 讓使用者能輕易超越單個(gè) Ironwood Pod 的限制，將數(shù)十萬(wàn)顆 Ironwood 芯片組合在一起，以快速推進(jìn)生成式 AI 計(jì)算的前沿發(fā)展。

圖一：相較于 Google 首款對(duì)外提供的 Cloud TPU v2， FP8 總峰值浮點(diǎn)運(yùn)算性能提升幅度。

圖二：包括最新一代 Ironwood 在內(nèi)的 Cloud TPU 產(chǎn)品 (3D 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 3D torus version) 技術(shù)規(guī)格并列比較。FP8 峰值 TFlops 在 v4 與 v5p 上為模擬值，Ironwood 則提供原生支持。

Ironwood 的主要功能

Google Cloud 是唯一一家擁有超過(guò)十年提供 AI 計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的超大規(guī)模云提供商，不僅支持尖端研究，更將這些技術(shù)無(wú)縫整合到全球規(guī)模等級(jí)的服務(wù)中，每天為數(shù)十億使用者提供 Gmail、Google 搜索等服務(wù)。這些專業(yè)知識(shí)正是 Ironwood 性能的核心所在。主要功能包括：

在性能大幅提升的同時(shí)也注重能效，使 AI 工作負(fù)載能夠以更符合成本效益的方式運(yùn)行。Ironwood 的性能功耗比是 2024 年推出的第 6 代 TPU Trillium 的 2 倍。在當(dāng)前可用電力成為 AI 發(fā)展限制因素之一的時(shí)代，我們?yōu)榭蛻舻墓ぷ髫?fù)載提供了每瓦更多的計(jì)算能力。我們先進(jìn)的液冷解決方案和優(yōu)化的芯片設(shè)計(jì)，即使面對(duì)持續(xù)繁重的 AI 工作負(fù)載，也能可靠地維持高達(dá)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)冷兩倍的性能。事實(shí)上，Ironwood 的能效較我們 2018 年推出的首款 Cloud TPU 提升近 30 倍。

大幅增加高帶寬內(nèi)存 (HBM) 容量。Ironwood 每顆芯片提供 192 GB 容量，是 Trillium 的 6 倍，能處理更大的模型和數(shù)據(jù)集計(jì)算，減少頻繁的數(shù)據(jù)傳輸需求，進(jìn)而提升整體性能。

HBM 帶寬大幅提升，單顆芯片可達(dá) 7.2 Tbps，是 Trillium 的 4.5 倍。這種高帶寬能確保數(shù)據(jù)快速訪問(wèn)，這對(duì)于現(xiàn)代 AI 中常見(jiàn)的內(nèi)存密集型工作負(fù)載至關(guān)重要。

增強(qiáng)芯片間互連 (ICI) 帶寬。雙向傳輸已提高到 1.2 Tbps，是 Trillium 的 1.5 倍，能加速芯片間的通信，有助于提升大規(guī)模分布式訓(xùn)練和推理的效率。

圖三：相較于最早的 Cloud TPU v2，Google TPU 的能效有顯著提升。此數(shù)據(jù)是以每顆芯片封裝在熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）下所能達(dá)到的 FP8 峰值運(yùn)算性能（flops per watt）進(jìn)行衡量。

Ironwood 滿足了未來(lái) AI 的需求

Ironwood 憑借其全面提升的計(jì)算能力、內(nèi)存容量、芯片互連技術(shù)進(jìn)展與可靠性，代表推理時(shí)代的一項(xiàng)獨(dú)特關(guān)鍵突破。這些突破，加上近 2 倍的能效提升，意味著我們需求最高的客戶能以最高的性能與最低的延遲來(lái)處理訓(xùn)練與推理執(zhí)行工作負(fù)載，同時(shí)滿足暴增的計(jì)算需求。

當(dāng)前尖端 AI 模型如 Gemini 2.5 和榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的 AlphaFold， 如今都在 TPU 上運(yùn)行。我們迫不及待地想看到我們自己的開(kāi)發(fā)人員和 Google Cloud 客戶在 Ironwood 今年晚些時(shí)候推出后，會(huì)激發(fā)出哪些 AI 領(lǐng)域的突破。