NVIDIAのマイニング向けGPUを電圧操作で改造、80GBのメモリと演算機能を有効化

研究者のKate氏が、NVIDIAの暗号資産マイニング向けGPU「CMP 170HX」8GB版を改造し、搭載されていた最大80GBのメモリを利用できるようにしました。GPUへの電圧を一時的に操作して設定を書き換える手法で、演算ユニットや高速接続機能の制限も解除しています。

Kate氏の測定では、改造したカードの16ビット浮動小数点演算の性能は、市販のデータセンター向けGPU「A100」の約1.18倍でした。CMP 170HX 8GB版の価格は約3,000ドル（約48万円）、A100 80GBのPCIe版は2万ドル（約320万円）以上に達する場合があります。

8GB版に搭載された80GBのメモリを利用

CMP 170HXは、暗号資産イーサリアムの採掘向けに作られたGPUです。8GB版と10GB版があり、どちらもA100と同じ「GA100」という半導体を使っています。8GB版には約80GB、10GB版には約40GBの高速メモリが搭載されていますが、出荷時にアプリケーションから利用できる容量はそれぞれ8GBと10GBに制限されています。

従来のソフトウェア改造「CMPUnlocker」では、利用できるメモリを8GB版で64GB、10GB版で40GBまで増やせます。一方、演算処理を担うSMと呼ばれるユニットは70基のままで、拡張カードの接続規格PCIeも第2世代に制限されます。

今回の手法を適用した10枚のカードのうち、9枚では80GB、残る1枚では64GBのメモリを利用できました。Kate氏は、改造後のカードで動作するSMは半導体の個体差により約120〜126基で、市販のA100の108基を上回るとしています。

電圧の乱れを利用して設定を書き換え

GA100には、機能の有効・無効を決める電子ヒューズと、その読み出しや書き込みを管理する回路があります。電子ヒューズは半導体の製造時にも使われ、不良と判定された部分の無効化や製品ごとの機能制限に用いられます。

Kate氏は、GPUに供給する電圧に一時的な乱れを与えることで、通常は保護されているヒューズ設定への書き込みを可能にしました。改造にはマイクロコントローラーを使った制御基板を用い、不良として記録されていた演算ユニットは無効のままにしました。基板の設計、ファームウェア、制御用ツールなども公開されています。

この手法では、GPU同士を高速接続するNVLinkや、PCIe第4世代も利用可能になります。Kate氏は、誤り訂正機能やGPUを分割して使うMulti-Instance GPU（MIG）などの制限も解除できるとしていますが、MIGや一部の動画処理機能は個別に試験していません。

Kate氏の測定では、16ビット浮動小数点の積和演算は改造カードで85.858 TFLOPS、市販のA100で72.488 TFLOPSでした。同氏は、別の研究者が同じ脆弱性を独自に発見したことを受けて成果を公開し、公開前にNVIDIAの製品セキュリティチームへ知らせたとしています。

A100のPCIe版とSXM版では必要な設備が異なる

A100 80GBには、サーバーの拡張スロットに装着するPCIe版と、専用の基板を使うSXM版があります。PCIe版は1〜8基のGPUを搭載するサーバーに対応し、SXM版は4、8、16基のGPUを搭載するHGX A100のサーバー基板などで使われます。

最大熱設計電力は標準構成でPCIe版が300W、SXM版が400Wです。A100 80GBのSXM版はPCIe版より本体価格が安いものの、専用の設備が必要です。