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mKernel : une bibliothèque de noyaux fusionnés multi-GPU et multi-nœuds pour les communications pilotées par GPU
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, dans le cadre du projet UCCL, ont publié mKernel, une bibliothèque de noyaux CUDA persistants conçue pour fusionner les communications inter-GPU et le calcul en un seul et même noyau. Le problème qu'ils adressent est chiffré avec précision : dans les charges de travail d'IA en production, les communications peuvent absorber jusqu'à 43,6 % du temps de passe avant (forward pass) et 32 % du temps d'entraînement de bout en bout. Sur les modèles Mixture-of-Experts (MoE), cette proportion grimpe à 47 % du temps d'exécution total. mKernel propose cinq noyaux fusionnés couvrant les opérations les plus courantes : AllGather + GEMM, GEMM + AllReduce, dispatch MoE + GEMM, Ring Attention et GEMM + ReduceScatter. Chaque noyau fusionne simultanément les communications NVLink intra-nœud, le RDMA inter-nœud et le calcul dense, le tout orchestré directement par le GPU sans passer par le processeur central. Le gain fondamental de cette approche réside dans l'élimination du goulet d'étranglement lié au pilotage par le CPU. Dans le modèle classique, le processeur central contrôle les flux d'exécution et appelle des bibliothèques comme NCCL ou NVSHMEM pour déclencher les opérations collectives. Or, à l'échelle des infrastructures modernes, un rack GB300 NVL72 intègre 72 GPU Blackwell Ultra, livrant 720 PFLOPS en FP8 et 130 To/s de bande passante NVLink, les latences microsecondes introduites par chaque appel CPU créent des bulles visibles dans le pipeline. mKernel supprime ce niveau d'indirection : le GPU lui-même initie les transferts RDMA via libibverbs, sans dépendance à NCCL ou NVSHMEM. À l'intérieur du noyau, les blocs de threads (CTAs) se spécialisent automatiquement en rôles distincts, calcul, communication intra-nœud, envoi et réduction inter-nœud, avec un nombre de SMs alloués à chaque rôle ajustable selon la forme des tenseurs. Ce travail s'inscrit dans une tendance de fond qui voit la communauté de recherche en systèmes distribués chercher à repousser les limites du parallélisme à très grande échelle. Les architectures MoE, popularisées notamment par les modèles de DeepSeek et Mixtral, amplifient les besoins de communication car chaque token doit être routé dynamiquement vers des experts potentiellement situés sur des nœuds différents. Les bibliothèques existantes comme Flux ou DeepEP avaient déjà exploré la fusion de noyaux, mais restaient généralement confinées à un seul nœud ou un seul GPU. mKernel, évalué sur deux clusters de 2 nœuds à 8 GPU H200 chacun, étend ce paradigme au cas multi-nœud, ouvrant la voie à des entraînements et inférences distribués où la communication cesse d'être un frein structurel à la scalabilité.
UELes laboratoires et entreprises européens entraînant des modèles distribués à grande échelle (notamment MoE) pourraient bénéficier indirectement de cette bibliothèque open-source pour réduire leur overhead de communication inter-GPU.
