NVIDIA 数据中心 GPU 路线 —— V100 到 Rubin

NVIDIA 每两年一代数据中心 GPU。从 2017 年 V100 起,每一代都不是”性能加 30%”——是把整个 AI 行业往新方向推一次。本文按代次梳理。

一张时间轴

graph LR
  P100[2016<br/>P100<br/>Pascal] --> V100[2017<br/>V100<br/>Volta]
  V100 --> A100[2020<br/>A100<br/>Ampere]
  A100 --> H100[2022<br/>H100<br/>Hopper]
  H100 --> H200[2024<br/>H200<br/>Hopper Refresh]
  H200 --> B200[2024-2025<br/>B100/B200<br/>Blackwell]
  B200 --> BU[2025-2026<br/>B300/GB300<br/>Blackwell Ultra]
  BU --> RUBIN[2026-2027<br/>VR200<br/>Vera Rubin]
  RUBIN --> FEYNMAN[2027+<br/>Feynman<br/>下下代]

NVIDIA 的代次按”知名科学家”命名——Pascal、Volta、Turing、Ampere、Hopper、Blackwell、Rubin、Feynman。Rubin 已公布并在量产路上,Feynman 是 Rubin Ultra 之后的下一代,命名已确认,规格待公布。

P100(2016,Pascal)

制程 TSMC 16nm
显存 16 GB HBM2,720 GB/s
FP64 / FP32 / FP16 5.3 / 10.6 / 21.2 TFLOPS
Tensor Core 无
互联 NVLink 1.0(160 GB/s 双向)
TDP 300W
封装 SXM2

关键贡献:

  • 首次引入 NVLink,多卡互联从 PCIe 解放
  • 首次大规模用 HBM2
  • DGX-1(8 卡)开始

P100 的算力今天看起来很小,但当时 ResNet 训练用 P100 是主流。

V100(2017,Volta)—— Tensor Core 的开端

制程 TSMC 12nm
显存 16/32 GB HBM2,900 GB/s
FP64 / FP32 / FP16 7.5 / 15 / 30 TFLOPS
Tensor Core FP16 125 TFLOPS
互联 NVLink 2.0(300 GB/s)
TDP 300-450W
封装 SXM2

关键贡献:

  • Tensor Core:首次出现的”4×4 矩阵乘加”专用单元,让 FP16 运算飙到 8 倍 FP32 速度
  • 引入 NVSwitch(V100 32GB 配套)
  • DGX-2(16 卡,2× NVSwitch 完全互联)

Tensor Core 是后续 6 代 GPU 的灵魂——大模型时代算力的真正核心。

A100(2020,Ampere)

制程 TSMC 7nm
显存 40/80 GB HBM2e,1555-2039 GB/s
FP64 / FP32 9.7 / 19.5 TFLOPS
Tensor Core FP16 312 TFLOPS(稀疏 624)
Tensor Core BF16/TF32 312 / 156 TFLOPS
互联 NVLink 3.0(600 GB/s)
TDP 400-500W
封装 SXM4 / PCIe

关键贡献:

  • BF16 / TF32:精度新选项,BF16 范围像 FP32 但只占 16 bit,训练稳定性大幅提升
  • 稀疏计算:2:4 结构稀疏让 Tensor Core 翻倍
  • MIG(Multi-Instance GPU):一颗 A100 切成 7 个独立小 GPU,多租户友好
  • NVLink Switch:8 卡 GPU 互联(DGX A100)

A100 是过去 5 年 AI 训练的”主力员工”——很多企业当前生产中仍在大量使用。

H100(2022,Hopper)—— FP8 引爆大模型

制程 TSMC 4N(4nm 定制)
显存 80 GB HBM3,3.35 TB/s
FP64 / FP32 67 / 67 TFLOPS(FP64 用 Tensor Core 后增强)
Tensor Core FP16/BF16 1979 TFLOPS dense(稀疏 2:4 ×2)
Tensor Core FP8 3958 TFLOPS dense(稀疏 7916)
互联 NVLink 4.0(900 GB/s 双向)
TDP 700W
封装 SXM5 / PCIe
SM 132(SXM5)/ 114(PCIe)

注:throughput 为 dense;sparse 2:4 ×2。

关键贡献:

  • FP8(E4M3 / E5M2):精度再降一半,Tensor Core 能力翻倍。配合 Transformer Engine 自动管理精度
  • TMA(Tensor Memory Accelerator):异步 tensor 搬运,single thread 发起、硬件后台完成;FlashAttention-3 / CUTLASS Hopper / cuBLAS Hopper kernel 关键依赖
  • Thread Block Cluster:grid → cluster → block → thread 多级调度,cluster 内通过 SM-to-SM 网络共享 shared memory(DSMEM)
  • DPX 指令:动态规划加速(基因组学、路径规划)
  • 4th gen NVLink(900 GB/s)+ 3rd gen NVSwitch + NVLink Network Mode(DGX H100 SuperPOD 跨节点 256 GPU 域)
  • HBM3 第一次量产应用
  • Confidential Computing:单 GPU TEE(基于 SEV-SNP / TDX)

H100 是 ChatGPT 时代的”硬通货”。2023-2024 年北美 AI 公司抢 H100 卡的故事成了行业典故。

Hopper 家族其他 SKU

SKU 形态 显存 NVLink FP8 dense 备注
H100 SXM5 SXM5 80 GB HBM3 900 GB/s 3958 HGX H100 主力
H100 PCIe PCIe Gen5 80 GB HBM3 600 GB/s(NVL bridge) 3026 单卡 / 工作站
H100 NVL 2×PCIe 桥接 188 GB HBM3(94×2) NVLink bridge 7916 LLM 推理优化
H20 SXM5 96 GB HBM3 900 GB/s 296 中国出口合规 SKU

H20 是 2023 年美国出口管制后 NVIDIA 给中国市场的特供 —— 算力被砍到 H100 的不到 10%,但保留 96 GB HBM3 + 4 TB/s 带宽 + 完整 NVLink 4,推理友好但训练受限。

Transformer Engine

H100 的”杀手锏”——硬件 + 软件协同:

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训练时一层一层观察激活分布
→ 自动选 FP8 / BF16 / FP16 哪个最合适
→ 用 per-tensor scale 校准
→ 防止溢出 / 下溢
→ 不损失精度的前提下用 FP8 跑训练

效果:Llama 70B 从 BF16 切到 FP8 训练,速度翻倍,最终精度不掉。

H200(2024,Hopper Refresh)

同 H100 算力一致
显存 141 GB HBM3e,4.8 TB/s
TDP 700W

关键贡献:

  • 显存从 80 GB → 141 GB,对大模型推理 KV-Cache 至关重要
  • HBM3e 第一次商用
  • 是 H100 的”中期改款”——架构没变,主要靠 HBM3e 升级

H200 在推理市场(Llama-2 70B、GPT-4 推理)非常受欢迎,因为大显存就是”装得下”。

B100 / B200 / B300(2024-2025,Blackwell)

Blackwell 是 Hopper 的继任架构,2024 GTC 公布。核心设计要点:双 die 单封装(两颗 reticle-limit die 通过 NV-HBI 10 TB/s 互联,对软件呈现为单一 CUDA device、单一 NVLink endpoint)+ 第二代 Transformer Engine(原生 FP4/FP6,配合 OCP MX 标准的 per-block micro-scaling)+ 第五代 NVLink。

B100 B200 B300
制程 TSMC 4NP TSMC 4NP TSMC 4NP
结构 双 die(NV-HBI 10 TB/s) 同 同
显存 192 GB HBM3e 192 GB HBM3e(8 TB/s) 288 GB HBM3e
FP8 dense 7000 TFLOPS 9000 TFLOPS ~10500 TFLOPS
FP4 dense 14000 TFLOPS 18000 TFLOPS ~21000 TFLOPS
互联 NVLink 5(1.8 TB/s) NVLink 5 NVLink 5
TDP 700W 1000W ~1400W
形态 SXM (HGX) SXM (HGX) SXM (HGX/NVL)
用途 风冷 retrofit 主流 HGX 长上下文 / 大模型推理

注:throughput 单位 TFLOPS,dense;Blackwell 支持 2:4 structured sparsity,sparse 吞吐再 ×2。B300 / GB300 精确 TDP 与 HBM BW 待 NVIDIA 完整 datasheet 公开。

关键贡献:

  • 双 die 设计:第一颗”chiplet GPU”——跨 die L2 一致性由 NV-HBI 维护,对 CUDA 程序透明(单 GPU UUID、单 PCI BDF)
  • FP4 / FP6(MX 格式):Tensor Core 第一次支持 4-bit / 6-bit 浮点,per-block micro-scaling(每 32 元素一个 E8M0 共享 scale),遵循 OCP MX 标准
  • Transformer Engine v2:自动 cast + scale tracking,对接 Megatron-Core / NeMo / TensorRT-LLM
  • 5th gen NVLink:单链路 100 GB/s 双向 × 18 link = 单卡 1.8 TB/s
  • 5th gen NVSwitch:72 端口 × 100 GB/s,NVL72 中构成 72 GPU 单一 NVLink 域
  • Decompression Engine:硬件加速 Snappy / Deflate / LZ4,针对数据分析与 RAG ingest
  • RAS Engine:自检测、预测性故障转移
  • Confidential Computing 扩展:从 single-GPU 扩展到 multi-GPU NVLink TEE,整个 NVL72 可作为单一 TEE 域

B200 单卡功耗 1000W,液冷成了标配——风冷扛不住。B100 是为存量风冷数据中心保留的 SKU,性能档次低于 B200。

GB200 / GB300(Grace + Blackwell Superchip)

把 1 颗 Grace CPU 配 2 颗 Blackwell GPU 用 NVLink-C2C 900 GB/s 串起来:

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GB200 Superchip:
1× Grace (72 Neoverse V2 + ~480 GB LPDDR5X)
+ 2× B200 (192 GB HBM3e × 2 = 384 GB)
通过 NVLink-C2C 900 GB/s CPU↔GPU 直连(≈ 7× PCIe Gen5)

Total per Superchip:
72 ARM 核 + 480 GB LPDDR5X + 384 GB HBM3e
Tensor FP4 ≈ 36 PFLOPS dense / Superchip

GB300 把 GPU 换成 B300:1× Grace + 2× B300 = 576 GB HBM3e / Superchip,FP4 ≈ 42 PFLOPS dense。

NVLink-C2C 让 CPU 内存对 GPU 几乎是”近线 HBM 扩展”——Unified Memory 真正可用、KV cache / embedding table 可放 CPU 内存。

NVL72 整机柜 = 18 计算 tray × 2 GB200 superchip / tray = 36 superchip = 72 GPU + 36 Grace + ~13.5 TB HBM3e + ~17 TB LPDDR5X。下一篇专题讲。

GB200 NVL72 关键规格速查

项目 数值
GPU 72× B200(每卡 186 GB HBM3e,8 TB/s)
CPU 36× Grace(每颗 72 Neoverse V2,480 GB LPDDR5X)
总 HBM3e ~13.5 TB
总 LPDDR5X ~17 TB
NVLink 带宽(柜内) 1.8 TB/s 单卡,130 TB/s 聚合
NVLink 5 单链路 100 GB/s 双向,每卡 18 链路
整柜功耗 120-130 kW(液冷强制)
NVLink-C2C(Grace↔GPU) 900 GB/s(~7× PCIe Gen5)
整柜重量 ~1.5-1.7 吨
供电 48V DC Bus Bar

$5M 投入的 GB200 NVL72 按 OCP 2025 峰会 NVIDIA 演示,运行 DeepSeek-R1 三年可产生约 $75M Token 收入——AI 工厂 ROI 论证的核心数字。

Vera Rubin(2026-2027)

NVIDIA 在 GTC 2024 / 2025 公布的下一代——但截至发布前,公开 keynote 之外的细节均属推断,正式规格须以 NVIDIA 后续 datasheet 为准。

Rubin
命名来源 Vera Rubin(暗物质科学家)
GPU Rubin(继承双 die / 多 die 通过 NV-HBI 拼接)
CPU Vera(取代 Grace,NVIDIA 自研 Olympus core,仍 Arm Neoverse 路线)
显存 HBM4,带宽 ~1.5–2× HBM3e
互联 NVLink 6(带宽 ≥ 1.8 TB/s 量级)
Superchip VR200 = 1× Vera CPU + 2× Rubin GPU
整机柜 NVL144(标准版)/ NVL576(Kyber rack)

待补充:Rubin 量产时间、HBM4 容量与带宽、FP4 算力、NVL576 详细 BOM——以 NVIDIA 正式发布为准。

Rubin Ultra / Kyber rack:目标 NVL576 = 576 GPU 在单一 NVLink 域,单机柜功率显著高于 GB200/GB300 NVL72(>500 kW 量级,需 800V HVDC 数据中心标准)。NVIDIA 推动 800V HVDC 与 OCP / 多家 OEM 合作,取消多层 AC↔DC 转换,效率↑、铜量↓。

NVIDIA 路线图 cadence 已从”两年一代”加速到 “一年一代 + 中期 refresh”。

Vera Rubin NVL144:OCP 2025 首次披露细节

OCP 2025 全球峰会(2025 年 10 月,圣何塞),NVIDIA 副总裁 Ian Buck 正式披露 Vera Rubin NVL144 的核心数字:

参数 NVL144 对比 GB300 NVL72
GPU 数 144 72(×2)
综合性能 8 EF NVFP4 1× 基准
综合性能提升 7.5× GB300 NVL72 —
内存带宽 1.7 PB/s ~580 TB/s(3×)
NVLink 带宽 260 TB/s ~130 TB/s(2×)
散热 100% 液冷 95% 液冷
液冷进水温度 最高 45°C ~40°C
OCP 兼容 OCP MGX OCP MGX

以上数字为 Preliminary,subject to change。以 NVIDIA 正式 datasheet 为准。

VR200 Superchip(参考路线图推断,非正式公开规格):

  • 单 GPU:288 GB HBM4,22 TB/s 带宽,FP4 约 35 PFLOPS dense
  • NVLink 6:单卡 3.6 TB/s(NVLink 5 的 2×)
  • NVL144 整柜推算:144 卡 → 双向聚合约 260 TB/s bisection
  • 整柜功耗:估计 180-200 kW+,仍需高温液冷

NVL144 的 OCP MGX 协同设计——NVIDIA 专门为 NVL144 做了 OCP 贡献:

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OCP MGX Cable Cartridges:支持 Rubin 400G Serdes,2× Scale-Up 带宽,同机柜尺寸
OCP MGX Compute Tray:100% 液冷,45°C 最高进液温度,PCB Midplane 架构
OCP MGX Bay System:CPX + CX9(ConnectX-9)Bay 共存,支持 800G 网络对外互联
整柜供电:液冷 Bus Bar 5000A,20× 储能(机架级功率平滑),PSU 自动切换开关

咱看来,NVL144 与其说是”更大的 NVL72”,不如说是”第一个真正把 OCP 开放标准拧进 NVIDIA 旗舰整机柜”的设计——散热、供电、Cable 都走开放规范,让 OEM 可以自行制造。

Feynman(下下代,2028 年以后)

Rubin Ultra 之后的下一代已确认命名为 Feynman(理查德·费曼,量子力学宗师)。目前仅有命名确认,规格一概待 NVIDIA 正式发布。费曼既是物理学家又是计算机先驱,命名意味着 NVIDIA 的野心不止在矩阵乘法。

Feynman
命名来源 Richard Feynman(路径积分/量子计算先驱)
GPU 待公布
显存 推测 HBM4E 或更高
预期量产 2028+

为什么”一代翻一倍”做得到

每代算力翻倍主要来自三个地方:

graph LR
  M1[制程升级<br/>16nm→7nm→4N] --> P[功率墙下塞更多晶体管]
  M2[精度变低<br/>FP32→FP16→FP8→FP4] --> P
  M3[Tensor Core 重新设计<br/>稀疏/结构化加速] --> P
  P[算力翻倍]

精度降低是大头:

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A100 FP32:        19.5  TFLOPS
A100 BF16 Tensor: 312 TFLOPS dense (16x)
H100 BF16 Tensor: 1979 TFLOPS dense (6.3x vs A100)
H100 FP8 Tensor: 3958 TFLOPS dense (2x)
B200 FP8 Tensor: 9000 TFLOPS dense (2.3x vs H100 FP8)
B200 FP4 Tensor: 18000 TFLOPS dense (2x vs FP8)

但 FP4 不是免费的——只有大模型推理 + 适当 calibration 才能用。训练用 FP8/BF16,推理才大胆 FP4。

单卡功耗的代价

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P100 (2016):  300W
V100 (2017): 300-450W
A100 (2020): 400W
H100 (2022): 700W
B200 (2024): 1000W
Rubin (2026):1200W+ (推测)

每代单卡功耗几乎翻倍——这是为什么数据中心 IT 单机柜功耗从 5kW 涨到 130kW(NVL72)的根因。散热和供电的”基础设施”压力比芯片本身更难解决。

NVIDIA 的护城河不只是 GPU

graph TB
  HW[GPU 硬件<br/>Tensor Core + HBM]
  CONN[NVLink + NVSwitch<br/>多卡互联]
  CUDA[CUDA + cuBLAS + cuDNN]
  FRAME[PyTorch / JAX / TF<br/>默认 NVIDIA 后端]
  TRT[TensorRT-LLM / Triton<br/>推理引擎]
  NEMO[NeMo / NIM / DGX Cloud<br/>软件栈和云服务]
  HW --> CONN --> CUDA --> FRAME --> TRT --> NEMO

任何一家想”取代 NVIDIA”的厂家,不只要做出能打的芯片,还要复制这整条 stack——这是为什么 AMD MI300、华为昇腾、各家国产 AI 芯片在硬件上单卡指标接近,但生态远远没追上。

一些查询命令

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# 看 GPU 信息
nvidia-smi
nvidia-smi -L # 列出所有 GPU
nvidia-smi -q # 详细查询
nvidia-smi topo -m # 查看 NVLink 拓扑

# 持续监控
nvidia-smi dmon # 利用率、显存、温度、功耗
nvidia-smi pmon # 进程视角

# CUDA 信息
nvcc --version
nvidia-smi --query-gpu=name,driver_version,memory.total --format=csv

# 看 PCIe 链路状态
sudo lspci -vvv -s <BDF> | grep LnkSta

一张代次速查(数据中心 SXM 旗舰,dense throughput)

代次 量产 制程 BF16 Tensor (dense, TFLOPS) FP8 Tensor (dense, TFLOPS) FP4 Tensor (dense, TFLOPS) 单卡显存 TDP
P100 2016 16nm — — — 16 GB HBM2 300W
V100 2017 12nm — (FP16: 125) — — 16/32 GB HBM2 300-450W
A100 2020 7nm 312 — — 40/80 GB HBM2e 400W
H100 2022 4N 1979 3958 — 80 GB HBM3 700W
H200 2024 4N 1979 3958 — 141 GB HBM3e 700W
H20 2024 4N 148 296 — 96 GB HBM3 700W
B100 2024 4NP ~1800 7000 14000 192 GB HBM3e 700W
B200 2025 4NP 2250 9000 18000 192 GB HBM3e 1000W
B300 2025-2026 4NP ~2625 ~10500 ~21000 288 GB HBM3e ~1400W
VR200 (Rubin) 2026-2027 3nm ~4000 ~17500 ~35000 288 GB HBM4 ~2300W
Feynman 2028+ 待补 待补 待补 待补 HBM4E+ 待补

注:H100/H200 数字基于 NVIDIA 官方 SXM5 datasheet;B300 / Rubin 待 NVIDIA 完整 datasheet 公开。Sparse 2:4 ×2。

小结

  • NVIDIA 数据中心 GPU 一代两年(近年加速到一年)
  • V100 引入 Tensor Core,A100 引入 BF16/TF32 + MIG,H100 引入 FP8 + Transformer Engine
  • B200 是双 die chiplet + FP4 + 整机柜 NVLink,单卡 1000W
  • 算力翻倍来源:制程 + 降精度 + Tensor Core 重设计
  • 真正的护城河是 CUDA + 互联 + 框架支持的整条软件栈

下一篇讲 NVLink / NVSwitch / NVL72——多卡之间怎么连成”一颗大 GPU”。


内容深度由贤狼赫萝于 2026-06-15 增补,引用来源:OCP 2025/2026 幻灯片、SemiAnalysis。