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P2 TCCL: Discovering Better Communication Paths for PCIe GPU Clusters

TCCL:为 PCIe GPU 集群发现更优的通信路径
ASPLOS Proceedings of the 29th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Volume 32024匹配度 1/10 · 论文聚焦 PCIe GPU 集群的集合通信路径搜索与 NCCL 运行时优化,属于分布式训练系统/体系结构方向,与用户关注的静态分析、LLM/Agent 程序分析、浮点程序分析、贝叶斯程序分析等核心问题几乎没有交集。引用 48 inbox
Heehoon Kim, Junyeol Ryu, Jaejin Lee
crossref: 2026-09-12dblp: 2026-09-12

AI 速览

一句话:TCCL 通过性能剖析与路径搜索,为 PCIe GPU 集群自动发现最优集合通信路径,并改造成 NCCL 运行时加以利用,最高提速 2.07 倍。

深度学习训练依赖 GPU 通过集合通信原语协作,但已有研究多集中于配备专用互连(如 DGX/NVLink)的系统,主要经由 PCIe 通信的 GPU 集群则关注不足——这类集群的拓扑与带宽异构性使得固定通信路径往往并非最优。本文提出专为 PCIe GPU 集群设计的集合通信库 TCCL,包含三个组件:用于测量多传输性能的 profiler、用于发现最优通信路径的 pathfinder,以及改造后的 NCCL 运行时以实际使用所发现的路径。工作聚焦于 AllReduce、AllGather 等深度学习常用操作所适用的环状(ring-based)集合通信算法。在三个不同的 PCIe GPU 集群上,TCCL 相对当前最先进的通信库 NCCL 与 MSCCL 最高取得 2.07 倍加速;作者还用多种并行策略组合的深度学习训练负载对 TCCL 进行了评估。

问题
在 GPU 主要经由 PCIe 通信的集群中,拓扑与链路带宽高度异构,现有集合通信库(NCCL、MSCCL)使用的固定通信路径无法充分利用可用带宽,导致 AllReduce、AllGather 等操作的性能受限。
方法
提出 TCCL 集合通信库,由三部分组成:测量多传输性能的 profiler、基于测量结果搜索最优通信路径的 pathfinder,以及改造后能按所发现路径执行 ring-based 集合通信的 NCCL 运行时。
评估
在三个不同的 PCIe GPU 集群上,与 NCCL 和 MSCCL 对比集合通信性能(最高加速 2.07 倍),并使用多种并行策略组合的深度学习训练负载进行端到端评估。
原文摘要(Abstract)

Exploiting parallelism to train deep learning models requires GPUs to cooperate through collective communication primitives. While systems like DGX, equipped with proprietary interconnects, have been extensively studied, the systems where GPUs mainly communicate through PCIe have received limited attention. This paper introduces TCCL, a collective communication library designed explicitly for such systems. TCCL has three components: a profiler for multi-transfer performance measurement, a pathfinder to discover optimal communication paths, and a modified runtime of NCCL to utilize the identified paths. The focus is on ring-based collective communication algorithms that apply to popular communication operations in deep learning, such as AllReduce and AllGather. The evaluation results of TCCL on three different PCIe-dependent GPU clusters show that TCCL outperforms (up to ×2.07) the state-of-the-art communication libraries, NCCL and MSCCL. We also evaluate TCCL with DL training workloads with various combinations of parallelism types.

链接与引用

DOI 原文 · PDF(开放获取) · DBLP

BibTeX
@inproceedings{KimRL24,
  title = {TCCL: Discovering Better Communication Paths for PCIe GPU Clusters},
  author = {Heehoon Kim and Junyeol Ryu and Jaejin Lee},
  booktitle = {ASPLOS},
  year = {2024},
  doi = {10.1145/3620666.3651362}
}