使用PCIe交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)在多主機(jī)系統(tǒng)中優(yōu)化資源部署

作者：Microchip Technology Inc.固件工程技術(shù)顧問Vincent Haché

越來越多的數(shù)據(jù)中心和其他高性能計(jì)算環(huán)境開始使用GPU，因?yàn)镚PU能夠快速處理深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中生成的大量數(shù)據(jù)。不過，就像許多可提高應(yīng)用性能的新型數(shù)據(jù)中心創(chuàng)新一樣，這項(xiàng)創(chuàng)新也暴露出新的系統(tǒng)瓶頸。在這些應(yīng)用中，用于提高系統(tǒng)性能的新興架構(gòu)涉及通過一個(gè)PCIe?結(jié)構(gòu)在多個(gè)主機(jī)之間共享系統(tǒng)資源。

PCIe標(biāo)準(zhǔn)（特別是其基于樹的傳統(tǒng)層級）會(huì)限制資源共享的實(shí)現(xiàn)方式（和實(shí)現(xiàn)程度）。不過，可以實(shí)現(xiàn)一種低延時(shí)的高速結(jié)構(gòu)方法，這種方法允許在多個(gè)主機(jī)之間共享大量GPU和NVMe SSD，同時(shí)仍支持標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。

PCIe結(jié)構(gòu)方法采用動(dòng)態(tài)分區(qū)和多主機(jī)單根I/O虛擬化（SR-IOV）共享。各PCIe結(jié)構(gòu)之間可直接路由點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。這樣便可為點(diǎn)對點(diǎn)傳輸提供最佳路由，減少根端口擁塞，并且更有效地平衡CPU資源的負(fù)載。

傳統(tǒng)上，GPU傳輸必須訪問CPU的系統(tǒng)存儲(chǔ)器，這會(huì)導(dǎo)致端點(diǎn)之間發(fā)生存儲(chǔ)器共享爭用。當(dāng)GPU使用其共享的存儲(chǔ)器映射資源而不是CPU存儲(chǔ)器時(shí)，它可以在本地提取數(shù)據(jù)，無需先通過CPU傳遞數(shù)據(jù)。這消除了跳線和鏈路以及由此產(chǎn)生的延時(shí)，從而使GPU能夠更高效地處理數(shù)據(jù)。

PCIe的固有限制

PCIe主層級是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)域都有一個(gè)根聯(lián)合體，從該點(diǎn)可擴(kuò)展到“葉子”，這些“葉子”通過交換網(wǎng)和橋接器到達(dá)端點(diǎn)。鏈路的嚴(yán)格層級和方向性給多主機(jī)、多交換網(wǎng)系統(tǒng)帶來了成本高昂的設(shè)計(jì)要求。

圖1：多主機(jī)拓?fù)?/p>

以圖1所示的系統(tǒng)為例。要符合PCIe的層級，主機(jī)1必須在交換網(wǎng)1中有一個(gè)專用的下行端口，該端口連接到交換網(wǎng)2中的專用上行端口。它還需要在交換網(wǎng)2中有一個(gè)專用的下行端口，該端口連接到交換網(wǎng)3中的專用上行端口，依此類推。主機(jī)2和主機(jī)3也有類似的要求，如圖2所示。

圖2：每個(gè)主機(jī)的層級要求

即使是基于PCIe樹形結(jié)構(gòu)的最基本系統(tǒng)，也需要各交換網(wǎng)之間有三個(gè)鏈路專用于每個(gè)主機(jī)的PCIe拓?fù)洹６?，由于主機(jī)之間無法共享這些鏈路，因此系統(tǒng)會(huì)很快變得極為低效。

此外，符合PCIe的典型層級只有一個(gè)根端口，而且盡管“多根I/O虛擬化和共享”規(guī)范中支持多個(gè)根，但它會(huì)使設(shè)計(jì)更復(fù)雜，并且當(dāng)前不受主流CPU支持。結(jié)果會(huì)造成未使用的PCIe設(shè)備（即端點(diǎn)）滯留在其分配到的主機(jī)中。不難想象，這在采用多個(gè)GPU、存儲(chǔ)設(shè)備及其控制器以及交換網(wǎng)的大型系統(tǒng)中會(huì)變得多么低效。

例如，如果第一個(gè)主機(jī)（主機(jī)1）已經(jīng)消耗了所有計(jì)算資源，而主機(jī)2和3未充分利用資源，則顯然希望主機(jī)1訪問這些資源。但主機(jī)1無法這樣做，因?yàn)檫@些資源在它的層級域之外，因此會(huì)發(fā)生滯留。非透明橋接（NTB）是這種問題的一個(gè)潛在解決方案，但由于每種類型的共享PCIe設(shè)備都需要非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序和軟件，因此這同樣會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜。更好的方法是使用PCIe結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許標(biāo)準(zhǔn)PCIe拓?fù)淙菁{多個(gè)可訪問每個(gè)端點(diǎn)的主機(jī)。

實(shí)施方法

系統(tǒng)使用一個(gè)PCIe結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)（本例中為Microchip Switchtec? PAX系列的成員）在兩個(gè)獨(dú)立但可透明互操作的域中實(shí)現(xiàn)：即包含所有端點(diǎn)和結(jié)構(gòu)鏈路的結(jié)構(gòu)域以及每個(gè)主機(jī)專用的主機(jī)域（圖3）。主機(jī)通過在嵌入式CPU上運(yùn)行的PAX交換網(wǎng)固件保留在單獨(dú)的虛擬域中，因此，交換網(wǎng)將始終顯示為具有直連端點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)單層PCIe設(shè)備，而與這些端點(diǎn)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中的位置無關(guān)。

圖3：每個(gè)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立域

來自主機(jī)域的事務(wù)會(huì)在結(jié)構(gòu)域中轉(zhuǎn)換為ID和地址，反之，結(jié)構(gòu)域中通信的非分層路由也是如此。這樣，系統(tǒng)中的所有主機(jī)便可共享連接交換網(wǎng)和端點(diǎn)的結(jié)構(gòu)鏈路。交換網(wǎng)固件會(huì)攔截來自主機(jī)的所有配置平面通信（包括PCIe枚舉過程），并使用數(shù)量可配置的下行端口虛擬化一個(gè)符合PCIe規(guī)范的簡單交換網(wǎng)。

當(dāng)所有控制平面通信都路由到交換網(wǎng)固件進(jìn)行處理時(shí)，數(shù)據(jù)平面通信直接路由到端點(diǎn)。其他主機(jī)域中未使用的GPU不再滯留，因?yàn)樗鼈兛梢愿鶕?jù)每個(gè)主機(jī)的需求動(dòng)態(tài)分配。結(jié)構(gòu)內(nèi)支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，這使其能夠適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。當(dāng)以符合PCIe規(guī)范的方式向每個(gè)主機(jī)提供功能時(shí)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。

操作方法

為了解這種方法的工作原理，我們以圖4中的系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由兩個(gè)主機(jī)（主機(jī)1采用Windows?系統(tǒng)，主機(jī)2采用Linux?系統(tǒng)）、四個(gè)PAX PCIe結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)、四個(gè)Nvidia M40 GPGPU和一個(gè)支持SR-IOV的Samsung NVMe SSD組成。在本實(shí)驗(yàn)中，主機(jī)運(yùn)行代表實(shí)際機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的通信，包括Nvidia的CUDA點(diǎn)對點(diǎn)通信基準(zhǔn)測試實(shí)用程序和訓(xùn)練cifar10圖像分類的TensorFlow模型。嵌入式交換網(wǎng)固件處理交換網(wǎng)的低級配置和管理，系統(tǒng)由Microchip的ChipLink調(diào)試和診斷實(shí)用程序管理。

圖4：雙主機(jī)PCIe結(jié)構(gòu)引擎

四個(gè)GPU最初分配給主機(jī)1，PAX結(jié)構(gòu)管理器顯示在結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的所有設(shè)備，其中GPU綁定到Windows主機(jī)。但是，主機(jī)上的結(jié)構(gòu)不再復(fù)雜，所有GPU就像直接連接到虛擬交換網(wǎng)一樣。隨后，結(jié)構(gòu)管理器將綁定所有設(shè)備，Windows設(shè)備管理器將顯示GPU。主機(jī)將交換網(wǎng)視為下行端口數(shù)量可配置的簡單物理PCIe交換網(wǎng)。

一旦CUDA發(fā)現(xiàn)了四個(gè)GPU，點(diǎn)對點(diǎn)帶寬測試就會(huì)顯示單向傳輸速率為12.8 GBps，雙向傳輸速率為24.9 GBps。這些傳輸直接跨過PCIe結(jié)構(gòu)，而無需通過主機(jī)。如果運(yùn)行用于訓(xùn)練Cifar10圖像分類算法的TensorFlow模型并使工作負(fù)載分布在全部四個(gè)GPU上，則可以將兩個(gè)GPU釋放回結(jié)構(gòu)池中，將它們與主機(jī)解除綁定。這樣可以釋放其余兩個(gè)GPU來執(zhí)行其他工作負(fù)載。與Windows主機(jī)一樣，Linux主機(jī)也將交換網(wǎng)視為簡單的PCIe交換網(wǎng)，無需自定義驅(qū)動(dòng)程序，而CUDA也可以發(fā)現(xiàn)GPU，并在Linux主機(jī)上運(yùn)行P2P傳輸。性能類似于使用Windows主機(jī)實(shí)現(xiàn)的性能，如表1所示。

表1：GPU點(diǎn)對點(diǎn)傳輸帶寬

下一步是將SR-IOV虛擬功能連接到Windows主機(jī)，PAX將此類功能以標(biāo)準(zhǔn)物理NVM設(shè)備的形式提供，以便主機(jī)可以使用標(biāo)準(zhǔn)NVMe驅(qū)動(dòng)程序。此后，虛擬功能將與Linux主機(jī)結(jié)合，并且新的NVMe設(shè)備將出現(xiàn)在模塊設(shè)備列表中。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，兩個(gè)主機(jī)現(xiàn)在都可以獨(dú)立使用其虛擬功能。

務(wù)必注意的是，虛擬PCIe交換網(wǎng)和所有動(dòng)態(tài)分配操作都以完全符合PCIe規(guī)范的方式呈現(xiàn)給主機(jī)，以便主機(jī)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式交換網(wǎng)固件提供了一個(gè)簡單的管理接口，這樣便可通過成本低廉的外部處理器來配置和管理PCIe結(jié)構(gòu)。設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)事務(wù)默認(rèn)情況下處于使能狀態(tài)，不需要外部結(jié)構(gòu)管理器進(jìn)行額外配置或管理。

總結(jié)

PCIe交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種能夠充分利用CPU巨大性能的絕佳方法，但PCIe標(biāo)準(zhǔn)本身存在一些障礙。不過，可以通過使用動(dòng)態(tài)分區(qū)和多主機(jī)單根I/O虛擬化共享技術(shù)來解決這些難題，以便可以將GPU和NVMe資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配給多主機(jī)系統(tǒng)中的任何主機(jī)，從而滿足機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載不斷變化的需求。