5種GPU虛擬化技術(shù)的詳細(xì)資料講解

GPU，也即圖形處理單元。不論在手機(jī)中，還是在電腦、筆記本上，GPU都發(fā)揮著不可替代的作用。往期文章中，小編對(duì)GPU加速原理、GPU服務(wù)器選擇、GPU存儲(chǔ)性能提升等均有所介紹。為增進(jìn)大家對(duì)GPU的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)GPU的5種虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)策略予以介紹。如果你對(duì)GPU具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、設(shè)備模擬（Device Emulation）

設(shè)備模擬是指通過軟件的方法來為虛擬機(jī)模擬GPU設(shè)備，這種方法的好處是虛擬機(jī)內(nèi)部都可以調(diào)用GPU命令，可以完全記錄GPU設(shè)備的狀態(tài)，保證虛擬化技術(shù)的全部特性，滿足四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的資源復(fù)用和支持虛擬化特性的標(biāo)準(zhǔn)。QEMU 通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的VGA設(shè)備，但是該設(shè)備的性能很低，只能支持基礎(chǔ)的功能。軟件模擬設(shè)備的方法幾乎不會(huì)使用硬件加速，因此其實(shí)現(xiàn)的GPU性能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在虛擬機(jī)的圖形圖像處理和高性能計(jì)算的需求。而且正如前文提到的，現(xiàn)代GPU架構(gòu)具有很高的復(fù)雜性，而且缺少文檔，因此很難實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)真實(shí)的物理GPU進(jìn)行軟件模擬。這意味著設(shè)備模擬方法只能模擬少量的API，只能保證少量的GPU特性提供給虛擬機(jī)。由于設(shè)備模擬的方法在性能和支持的GPU特性上和真實(shí)的GPU相差過大，設(shè)備模擬的技術(shù)已經(jīng)不再應(yīng)用到GPU虛擬化技術(shù)中。

二、API轉(zhuǎn)發(fā)（API Forwarding）

API轉(zhuǎn)發(fā)是指通過實(shí)現(xiàn)包裹圖形API的庫，這些庫在虛擬機(jī)調(diào)用相關(guān)的API時(shí)，將這些圖形API通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方法轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)上，然后調(diào)用主機(jī)上的圖形驅(qū)動(dòng)提供的API支持完成調(diào)用。通過給高層的API實(shí)現(xiàn)包裹庫，客戶機(jī)就能支持高層的API如CUDA。vCUDA、vGRIS等虛擬化方案都是利用API轉(zhuǎn)發(fā)的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利于實(shí)現(xiàn)，而且一定程度上利用了GPU硬件實(shí)現(xiàn)加速，同時(shí)可以使多個(gè)虛擬機(jī)調(diào)用的GPU相關(guān)指令與API在物理GPU上執(zhí)行。但是API轉(zhuǎn)發(fā)的主要問題在于這種方法失去了語言和庫的靈活性選擇，包裹庫和支持的API的不匹配會(huì)造成GPU虛擬化不成功。而如果在遷移的過程中，目標(biāo)主機(jī)與源主機(jī)的包裹庫版本不一致，可能會(huì)造成遷移之后GPU虛擬化不成功，因此API轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)影響虛擬化提供的特性。

三、中介傳遞（Mediated Pass-through）

GPU已經(jīng)可以支持多個(gè)獨(dú)立的上下文，中介傳遞的方法使虛擬機(jī)只占用這些上下文的一個(gè)或者子集。高帶寬操作（指令緩存提交、幀緩存提交）需要使用映射到物理GPU的內(nèi)存或者M(jìn)MIO資源，低帶寬操作（資源分配、傳統(tǒng)的特性）可能會(huì)通過使用全虛擬化的資源來實(shí)現(xiàn)。

四、直接傳遞（Direct Pass-through）

直接傳遞是指給一臺(tái)虛擬機(jī)使用一個(gè)物理GPU的全部訪問權(quán)限。Intel提供了Intel VT-d硬件輔助技術(shù)，使研究者不需要去了解GPU的編程接口就可以直接實(shí)現(xiàn)一臺(tái)虛擬機(jī)占用物理GPU的全部訪問權(quán)限。這種方法的好處在于可以提供與真實(shí)機(jī)器相近的性能以及保真度，亞馬遜的Amazon EC2提供的GPU資源就是使用這種虛擬化策略。但是這種方法問題在于一個(gè)物理GPU只能被一臺(tái)虛擬機(jī)使用，犧牲了GPU資源在多臺(tái)機(jī)器之間共享的條件。而且虛擬化的遷移功能也會(huì)受到影響，因?yàn)椴煌w系架構(gòu)的GPU之間可能存在不兼容。

五、全虛擬化與半虛擬化

GPU虛擬化實(shí)現(xiàn)策略按照是否需要修改客戶機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)代碼分為GPU全虛擬化和GPU半虛擬化。GPU全虛擬化是指實(shí)現(xiàn)在多個(gè)虛擬機(jī)之間共享GPu資源的同時(shí)不需要修改虛擬機(jī)內(nèi)部的圖形驅(qū)動(dòng)。GPU半虛擬化是指向虛擬機(jī)提供軟件實(shí)現(xiàn)的理想設(shè)備模型，對(duì)客戶機(jī)的圖形驅(qū)動(dòng)進(jìn)行底層的控制。使用GPU半虛擬化的方法，比API轉(zhuǎn)發(fā)的性能消耗更小，但是客戶機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)必須要改寫。主流的GPU虛擬化方案GPUvm使用半虛擬化的實(shí)現(xiàn)策略對(duì)虛擬機(jī)GPU的性能有明顯的改善。