Grafikkarten oder Graphics Processing Units (GPUs) sind längst nicht mehr nur für Spieler und Grafikdesigner relevant. In der heutigen Welt von Künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und datenintensiven Anwendungen sind GPUs unverzichtbare Beschleuniger, die komplexe Berechnungen mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Doch trotz ihrer immensen Rechenleistung und hohen Anschaffungskosten steht oft die Frage im Raum: „Ich habe für die gesamte GPU bezahlt, wie kann ich auch die gesamte Kapazität nutzen?“ Genau diese Herausforderung der optimalen GPU-Auslastung ist unter Entwicklern, Ingenieuren und IT-Verantwortlichen gleichermaßen präsent und verdient eine detaillierte Betrachtung. In diesem Beitrag zeigen wir Ihnen, wie Sie mehr aus Ihrer Investition herausholen können, ohne dabei auf Qualität oder Leistung verzichten zu müssen. Zunächst ist es wichtig, das grundlegende Prinzip der Auslastung zu verstehen.
Auslastung ist ein Verhältnis zwischen der tatsächlich erreichten Leistung und der theoretisch verfügbaren Kapazität. Im Kontext von GPUs bedeutet das, wie viel Rechenleistung tatsächlich für nützliche Arbeit verwendet wird, im Vergleich zu dem, wofür Sie bezahlt haben. Die Schwierigkeit besteht darin, dass GPU-Auslastung viele Facetten hat und auf unterschiedlichen Ebenen gemessen werden kann. Zum Beispiel gibt es GPU-Zuweisungsauslastung, die sich darauf bezieht, wie viel der Zeit, für die eine GPU gemietet oder angeschafft wurde, tatsächlich Anwendungen ausgeführt werden. Dies ist eine betriebswirtschaftliche Größe, die unmittelbar Einfluss auf Ihre Kostenstrukturen hat.
Ein hoher Wert bedeutet, dass Sie Ihre GPU-Zeit maximal verwerten. Auch innerhalb einer laufenden GPU werden Anwendungen nicht stetig genutzt. Daher gibt es die GPU-Kernelauslastung – das Maß, wie lange tatsächlich Code auf der GPU ausgeführt wird. Gerade bei komplexen Anwendungen, bei denen Daten erst zwischen CPU und GPU transferiert werden müssen, besteht oft automatische Leerlaufzeit. Hier liegt häufig ein Optimierungspotential durch Verbesserung des Datenflusses und der Parallelisierung.
Schließlich gibt es die Model FLOP/s Auslastung, die Leistungsfähigkeit der GPU bei der tatsächlichen Ausführung von Floating Point Operationen misst. Diese spiegelt wider, wie effizient bestimmte, meist mathematisch intensive Anwendungen wie neuronale Netze die Hardwarebeschleunigung ausnutzen. Viele Anwender legen großen Wert darauf, die GPU ganzheitlich und effizient einzusetzen – sowohl aus wirtschaftlichen Gründen als auch wegen begrenzter Ressourcen. Denn GPUs sind hochpreisige Systeme, deren Anschaffung, Wartung und Betrieb oft einen erheblichen Teil der Infrastrukturkosten ausmachen. Wer hier nicht sorgsam plant und optimiert, verschenkt Potential und ruiniert die Kosten-Nutzen-Bilanz.
Doch das volle Potenzial auszuschöpfen ist nicht trivial und braucht technisches Verständnis und spezielle Maßnahmen. Einen wichtigen Hebel stellt die Art der GPU-Bereitstellung dar. Klassische Bereitstellungen auf festen Maschinen, seien es eigene Server oder konventionelle Cloud-Instanzen, sind oft starr und wenig flexibel. Eine Überprovisionierung führt zu niedriger Zuweisungsauslastung, da Ressourcen vorgehalten werden, die nicht dauerhaft benötigt werden. Neue Konzepte wie serverlose GPU-Architekturen oder containerbasierte Serverless-Lösungen ermöglichen hingegen eine schnellere Zuweisung und Freigabe von Ressourcen, wodurch die Kapazität dynamischer und effizienter genutzt werden kann.
Dies reduziert Leerlaufzeiten und verbessert gleichzeitig die Qualität des Dienstes. Ein Beispiel aus der Praxis zeigt, dass Anwender mit einem solchen Ansatz durchschnittliche GPU-Zuweisungsauslastungen von über 90 Prozent erzielen können – ein Wert, der mit traditionellen Methoden oftmals unerreichbar erscheint. Auch die GPU-Kernelauslastung lässt sich steigern, wenn die CPU und der Hostserver optimal auf die Arbeitslast abgestimmt sind. Engpässe durch langsame Datenübertragungen, fehlerhafte Parallelisierungen oder ineffiziente Kernelaufrufe führen dazu, dass der Prozessor auf der GPU nicht kontinuierlich ausgelastet ist. Um hier gegenzusteuern, lohnt sich eine tiefergehende Analyse mittels Profiling-Tools wie NVIDIA’s nvidia-smi oder PyTorch Profiler.
So können Entwickler gezielt Engpässe beim Aufrufen von GPU-Kerneln erkennen und beseitigen. Parallelisierung und Batching sind weitere Schlüsseltechnologien, um die Auslastung zu erhöhen. Durch das Bündeln mehrerer Aufgaben in einem GPU-Aufruf (Batching) lässt sich die Rechenkapazität besser ausnutzen, wobei allerdings auch immer das Gleichgewicht zwischen Auslastung und Latenz abzuwägen ist. Im Kontext von modernen KI-Modellen spielt die Optimierung der Model FLOP/s Auslastung eine zentrale Rolle. Bei Anwendungen in der neuronalen Netzinferenz ist es von großem Vorteil, den Datenfluss zwischen den Speicherhierarchien der GPU so zu gestalten, dass die Rechenoperationen mit möglichst wenig Wartezeit durchgeführt werden können.
Die sogenannte arithmetische Intensität, also das Verhältnis von Rechenoperationen zu Speicherzugriffen, ist hier entscheidend. Verbesserungen durch algorithmische Innovationen, wie Flash Attention im Bereich der Softmax-Berechnungen, können diese Effizienz steigern. Außerdem gehören hochwertige Open-Source-Bibliotheken wie CuBLAS und Frameworks wie PyTorch oder vLLM zu den wichtigsten Werkzeugen, um moderne GPUs optimal zu nutzen. Sie enthalten oft standardisierte und äußerst optimierte Kernel, die den Hardware-Level bestmöglich ansprechen. Nicht zuletzt gilt es, allgemeine Infrastrukturfaktoren zu berücksichtigen.
Netzwerklatenzen beim Laden von Modellen, Speicherbandbreiten, Host-CPU-Overhead und Software-Stack-Optimierungen können alle die letztendliche GPU-Auslastung beeinflussen. Hier kann ein cloudübergreifender Ansatz mit effizientem Ressourcenmanagement und schnellem Skalieren erhebliche Vorteile bieten. Anbieter wie Modal haben sich genau auf diese Herausforderung spezialisiert. Sie betreiben große Multi-Cloud-Flotten mit spezialisierter Containertechnologie, sodass sich GPU-Ressourcen millisekundengenau zuteilen lassen, was Zuweisungs- und Kernel-Auslastung gleichermaßen steigert. Gleichzeitig unterstützen sie Nutzer bei der Optimierung der Infrastruktur und des Codes, um das meiste aus jeder GPU herauszuholen.
Zusammenfassend wird deutlich, dass eine maximale GPU-Auslastung das Ergebnis vielschichtiger Optimierungen und technischer Disziplin ist. Vom Verständnis der verschiedenen Auslastungsformen über die Auswahl der Zugangsarchitektur bis zur tiefen Profilierung und softwareseitigen Optimierung: Wer seine GPU-Kapazitäten vollständig nutzt, erzielt nicht nur höhere Leistung, sondern auch deutlich verbesserte Kosteneffizienz. In einer Zeit, in der GPU-Leistung eine zentrale Rolle für innovative Technologien spielt, wird das effiziente Management dieser Ressourcen zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Dementsprechend gilt: „Ich habe die gesamte GPU bezahlt – ich werde sie auch vollständig nutzen!“ Dieser Anspruch lässt sich heute dank fortschrittlicher Infrastruktur und Software-Lösungen mehr denn je erfüllen.
