在 AI 集群规模化训练万亿参数模型时，互连网络已成为决定性能的核心瓶颈。Google TPU 的 ICI（Inter-Chip Interconnect）采用 3D Torus 拓扑，实现低成本高密度扩展，而 NVIDIA NVLink 依赖 CLOS 全互联架构，提供灵活性但成本高企。这种差异不仅源于硬件设计，还形成生态锁定：TPU 软硬件协同优化特定负载，NVLink 通用但昂贵。工程选型需权衡 MoE 模型的 all-to-all 通信与稠密矩阵运算的局部性，本文聚焦互连 scaling 瓶颈，给出可落地参数清单。
TPU ICI：3D Torus 的成本与密度优势
TPU ICI 是 Google 自定义互连，每芯片 4 条链路，双向 1.2 Tbps，支持 Ironwood（TPU v7）单 Pod 扩展至 9216 芯片，总算力达 42.5 ExaFLOPS。核心是 3D Torus 拓扑：每个节点沿 X/Y/Z 三维连接相邻节点，形成 4×4×4（64 芯片）立方体模块，再通过 OCS（Optical Circuit Switch）光交换动态重构跨模块连接。这种设计省去昂贵交换机，直接铜缆直连，网络成本不到 GPU 的五分之一。
证据显示，Torus 在稠密 Transformer 训练中高效：XLA 编译器预知拓扑，将高频通信算子置于邻近节点，延迟波动近零。Google v4 Pod 已达 4096 芯片，v5p 翻至 8960，Ironwood 进一步优化至 9216。相较 NVLink，ICI 无需光模块，功耗低、部署快，适合 Google Cloud 内部超大规模集群。
但瓶颈显露于 MoE（Mixture of Experts）模型：Token 路由至稀疏专家需 all-to-all 通信，Torus 直径 O (N)，最大 20 跳，热点链路拥塞严重。TA-MoE 研究证实，Torus 下 MoE 训练时间随规模平方增长，相比 CLOS 需更多同步轮次。
NVLink：CLOS 全互联的灵活性与成本陷阱
NVIDIA NVLink 5 代双向 1.8 TB/s/ 芯片，NVL72 整合 72 Blackwell GPU 全互联，通过 NVSwitch 实现低跳数（1-2 跳）CLOS Fat-Tree。GB300 NVL72 域带宽 130 TB/s，支持扩展至 576 GPU，完美适配 MoE：专家并行下，CLOS 全 mesh 确保任意 GPU 直接高速交换，无需多跳。
MLPerf Inference v5.1 基准中，Blackwell 在 Llama 3.1 405B 下达 224 tokens/s，DeepSeek-R1 服务器端 2907 tokens/s，凸显 CLOS 对动态稀疏通信的优势。NVLink 还提供内存语义共享，GPU 间直接读写 HBM，简化并行训练。
scaling 瓶颈在于成本：NVSwitch + InfiniBand 交换机、光模块堆叠，单机架超 100 kW 功耗，扩展 10 万 GPU 需海量硬件。Tomahawk 6 虽达 102.4 Tbps / 芯片，但摩尔红利渐弱，Torus 式直连在超大规模下更经济。
Scaling 瓶颈对比与生态锁定
| 维度 | TPU ICI (3D Torus) | NVLink (CLOS Full-Mesh) |
|---|---|---|
| 拓扑直径 | O (N)，MoE 多跳拥塞 | 低（1-2 跳），all-to-all 高效 |
| Pod 规模 | 9216 芯片（43 模块 ×64） | 72 GPU (NVL72)，576 GPU 扩展 |
| 成本 | < GPU 1/5，无交换机 | 高，交换机 + 光模块主导 |
| 适用负载 | 稠密 Transformer，XLA 优化局部性 | MoE、混合负载，CUDA 通用生态 |
| 延迟波动 | 近零（直连） | 低，但交换引入抖动 |
Torus 锁入 Google 生态：XLA/JAX/Pathways 针对 ICI 融合算子、内存编排，外部复现难；NVLink/CUDA 开放但依赖 NVIDIA 栈，易迁移却成本锁死客户。
Google 长期优势：自产 TPU+ICI，控制全栈，Anthropic 等租户承诺百万 TPU。OpenAI/Anthropic 测试 TPU 推理，Apple 用 8000+ TPU 训基础模型，证明生态黏性。
工程选型清单与参数阈值
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负载分类：
- 稠密模型（Transformer）：优先 TPU ICI，若 Pod >5000 芯片，成本节省 60%。
- MoE / 稀疏：NVLink，若 all-to-all >30% 流量，Torus 效率降 2-4x。
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Scaling 参数：
参数 TPU ICI 阈值 NVLink 阈值 监控点 单 Pod 芯片数 ≤9216 ≤576 跳数 >10 触发重拓扑 All-to-All BW 1.2 Tbps / 链路 1.8 TB/s/ 芯片 热点 >80% 利用率告警 总功耗 /kW <100 / 机架 >100 / 机架 PUE <1.2，回滚至小 Pod 成本 / TFLOPS $0.5-1 $2-5 年 CapEx >20% 预算切换 -
部署清单：
- TPU 路径：Google Cloud Pod，启用 OCS 动态路由；XLA 融合 Top-K=2 专家；监控：ICI 抖动 <1μs，Pod 利用>90%。
- NVLink 路径：DGX/GB200，SHARP 聚合；TensorRT-LLM MoE 优化；回滚：若拥塞 >20%，拆分至 InfiniBand Scale-Out。
- 混合风险：避免跨生态，TPU 锁定 JAX，NVLink CUDA；测试 A/B：1000 芯片 MoE，测 TTFT <50ms。
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监控与回滚：
- Prometheus + Grafana：链路利用、跳数分布、尾延迟 P99 <5μs。
- 阈值超标：动态 OCS 重构（TPU）或 NVSwitch 负载均衡；极端：Scale-Out 至 RoCE，牺牲 20% 性能换弹性。
Google 通过 ICI 锁定实现 “软硬一体极致”，在 AI 竞赛中稳居前列：成本低、规模大、专属优化。工程上，稠密负载选 TPU，灵活 MoE 选 NVLink，结合云服务评估 TCO。
资料来源：
- Google TPU v4/v7 部署 OCS 实现 9216 芯片 Pod，成本优势显著。[掘金：英伟达 5 万亿护城河，Google TPU 能撼动吗？]
- CLOS 在 MoE 下加速 1.01x-4.77x。[雪球：谷歌 TPU 挑战英伟达 GPU]