Tesla Dojo und der Simulator Specsim: Ein Blick auf Teslas KI-Supercomputer-Innovation

Tesla ist längst nicht mehr nur ein Automobilhersteller. Mit der Entwicklung von Dojo, einem spezialisierten Supercomputer zur maschinellen Lernverarbeitung (ML), positioniert sich das Unternehmen als Technologieführer im Bereich Künstliche Intelligenz. Für die effektive Entwicklung und das Testen von Software auf dieser Hardware hat Tesla eine funktionsfähige, hochskalierbare Simulationsumgebung geschaffen: Specsim.

Dieser Artikel beleuchtet die Architektur von Dojo, den Aufbau des Simulators Specsim, seine Funktionsweise und Relevanz für moderne KI-Anwendungen. Zudem wird aufgezeigt, wie Tesla Herausforderungen wie Parallelverarbeitung, Fehlersuche und Floating-Point-Performance gelöst hat.

Die Dojo-Architektur: Ein Überblick

Der Dojo D1-Chip und seine Skalierung

Ein einzelner Dojo D1-Chip besteht aus 354 Rechenknoten, die in einem 2D-Raster verbunden sind. 25 dieser Chips bilden gemeinsam ein sogenanntes «Training Tile» – das entspricht 8.850 Rechenknoten. Diese Knoten verfügen jeweils über 1,25 MB SRAM und unterstützen eine erweiterte Variante des RISC-V-Befehlssatzes mit Fokus auf Vektor- und Matrixoperationen.

Threads und Speicher

Jeder Knoten führt vier unabhängige Threads aus. Jeder Thread hat einen eigenen Zustand (Register, Program Counter etc.), während bestimmte Speicherbereiche – insbesondere Vektorregister – gemeinsam genutzt werden. Die Verbindung zu I/O-Koprozessoren und Hochgeschwindigkeitsspeicher (HBM) erfolgt über dedizierte Schnittstellen.

Der Specsim-Simulator: Ziele und Umsetzung

Warum ein funktionaler Simulator?

Vor Specsim verfügten die Entwickler lediglich über einen taktgenauen Simulator – nützlich, aber nicht effizient für umfangreiche Softwareentwicklungsprozesse. Ziel war deshalb die Entwicklung eines funktionalen, skalierbaren Simulators, der:

• tausende Dojo-Knoten gleichzeitig auf Standard-CPUs simulieren kann,
• eine vollständige ISA-Spezifikation testbar macht,
• integrierte Fehlererkennung (z. B. Datenrennen, Speicherverletzungen) enthält,
• die gesamte Softwarepipeline vom Prototyping bis zur Integration unterstützt.

Simulation auf Thread-Basis

Für maximale Parallelität wird jeder simulierte Dojo-Thread von einem eigenen Host-Thread (Linux-Thread) dargestellt. Damit laufen Simulationen oft mit zehntausenden parallelen Threads. Die Synchronisation wird bewusst minimiert und auf das durch das Zielprogramm geforderte Mass beschränkt.

Floating Point Performance: Soft-Float und AVX

Dedizierte Soft-Float-Bibliothek

Dojo ist für ML-Anwendungen konzipiert und benötigt daher eine leistungsfähige Floating-Point-Verarbeitung. Tesla entwickelte eine eigene Soft-Float-Bibliothek in C++, die vektorisiert ist (AVX2, AVX512). Dadurch konnten erhebliche Leistungssteigerungen erzielt werden:

Obwohl optimiert, beanspruchen Floating-Point-Berechnungen rund 75 % der Simulationszeit – vor allem bei Matrixoperationen. Daher kann die Berechnung optional deaktiviert werden, um Geschwindigkeit zu priorisieren.

Integrierte Fehlererkennung: Von Speicherfehlern bis Datenrennen

Klassische Fehlerquellen

Zu den häufigsten Softwarefehlern zählen:

• Speicherüberläufe
• Uninitialisierte Daten
• Unausgerichtete Speicherzugriffe
• Fehlende Synchronisation zwischen Threads

Tesla integriert ähnliche Mechanismen wie bekannte Tools (MSAN, UBSAN), aber angepasst an die Dojo-Architektur.

Datenrennen: Die grösste Herausforderung

Vier Threads pro Knoten, Zugriff auf gemeinsamen SRAM, externe Speicher und geteilte Register machen Dojo anfällig für schwer erkennbare Datenrennen. Specsim nutzt ein eigenes Race-Detection-System nach dem «Happens-Before»-Prinzip:

Leistungsprofil ohne FP-Berechnungen

Bei deaktivierten Floating-Point-Operationen macht die Race Detection weniger als 50 % der Simulationszeit aus – ein deutlich effizienteres Verhältnis als bei traditionellen Analysewerkzeugen.

Die Implementierung der Dojo-ISA

Automatisierte Instruktionsverarbeitung

Dojo unterstützt über 1000 Instruktionen. Um diesen Umfang effizient umzusetzen, erzeugt Tesla grosse Teile des Codes automatisch aus maschinenlesbaren ISA-Beschreibungen. Jede Instruktion erhält zwei Callback-Funktionen:

1. Raw Callback: Extrahiert Felder aus der 64-bit-Instruktion
2. Type-Safe Callback: Führt die Instruktion logisch aus

Etwa 200 Instruktionen werden manuell implementiert; der Rest basiert auf ca. 35 Generierungsmustern.

Menschlich lesbare DSL

Die Callback-Funktionen sind so gestaltet, dass sie gleichzeitig als Dokumentation der Instruktionssemantik dienen können – vergleichbar mit einem ausführbaren Handbuch.

Testverfahren und Korrektheit

Zur Sicherstellung der Korrektheit nutzt Tesla mehrere Verfahren:

• Unit-Tests für C++-Code
• Vergleichstests mit Hardware und anderen Simulatoren
• Differentielles Fuzzing
• Spezialisierte Tests für Soft-Float-Implementierung

Diese Methoden gewährleisten, dass Specsim sowohl für bestehende als auch zukünftige Hardwarevarianten zuverlässig einsetzbar ist.

Leistungsdaten und Skalierbarkeit

Eine typische Simulation variiert zwischen einem Knoten (z. B. für Komponententests) und bis zu 9.000 Knoten (ein kompletter Tile). Das entspricht 36.000 Threads. Die Simulation auf Host-Systemen erfolgt mit einer Auslastung von bis zu 100 % aller CPU-Kerne – ohne nennenswerte Synchronisationsverluste.

Die Architektur lässt eine horizontale Skalierung über mehrere Hosts zu. Derzeit sind die Simulationen Single-Host, aber verteilte Umgebungen sind technisch realisierbar.

Fazit: Eine Meisterleistung moderner KI-Infrastruktur

Mit Dojo und dem Specsim-Simulator hat Tesla eine der fortschrittlichsten Trainingsplattformen für KI-Systeme geschaffen. Die Möglichkeit, tausende Knoten effizient zu simulieren, Floating-Point-Berechnungen zu optimieren und Fehler frühzeitig zu erkennen, macht das System einzigartig.

Specsim zeigt, dass Simulationsumgebungen für Spezialhardware nicht nur effizient, sondern auch entwicklungstauglich und zukunftssicher sein können. Angesichts des Tempos, mit dem KI-Anwendungen wachsen, bietet Teslas Technologie einen massiven Wettbewerbsvorteil.

Quellen:

• Tesla AI Engineering Blog
• Eigene Analyse und Übersetzung des bereitgestellten Textes
• RISC-V Dokumentation (riscv.org)
• AVX512 Performance Benchmarks (Intel Labs)
• LLVM ThreadSanitizer Technical Notes
• Photo by Immo Wegmann on Unsplash