本文來自微信公眾號(hào)“twt企業(yè)IT社區(qū)（talkwithtrend.com）”，【作者】李杰，專注于Java虛擬機(jī)技術(shù)、云原生技術(shù)領(lǐng)域的探索與研究。
本文介紹了虛擬GPU（vGPU）的工作原理，解析了其關(guān)鍵技術(shù)以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，幫助讀者了解相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)。
眾所周知，隨著圖形密集型應(yīng)用的迅猛發(fā)展，對(duì)計(jì)算資源的需求也隨之水漲船高。虛擬GPU（vGPU）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為虛擬化環(huán)境下的圖形性能提升帶來了革命性的變革。vGPU通過將物理GPU的圖形處理能力分割成多個(gè)虛擬GPU，并將其分配給不同的虛擬機(jī)，使得每個(gè)虛擬機(jī)都能獨(dú)享專屬的GPU資源，從而實(shí)現(xiàn)高性能、高并發(fā)、高可靠性的圖形加速。本文將深入解析vGPU的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
1.為什么需要GPU？
眾所周知，圖形處理單元（GPU）擁有數(shù)千個(gè)小型計(jì)算核心，能夠高效地并行處理大量工作負(fù)載，尤其是在需要大規(guī)模并行任務(wù)的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。例如，3D應(yīng)用程序、視頻渲染和圖像處理這些任務(wù)本質(zhì)上可以被拆分為無數(shù)的小任務(wù)并同時(shí)進(jìn)行處理，因此非常適合由GPU處理。
在圖形渲染過程中，3D對(duì)象的生成涉及大量的像素、紋理和幾何數(shù)據(jù)，GPU通過并行處理能力，能夠同時(shí)處理這些數(shù)據(jù)，從而極大加速圖形生成的速度。同樣，視頻渲染也需要處理成千上萬幀畫面，GPU的多核并行計(jì)算能力使得這一過程可以在短時(shí)間內(nèi)高效完成，確保畫面處理的實(shí)時(shí)性。
GPU的并行計(jì)算能力不僅限于圖形處理領(lǐng)域，它也是加速高性能計(jì)算任務(wù)的關(guān)鍵工具。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等領(lǐng)域，GPU通過并行處理復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，為工程師們提供了極大的幫助，減少了計(jì)算時(shí)間。
雖然中央處理器（CPU）也可以處理圖形渲染和復(fù)雜計(jì)算任務(wù)，但由于其核心較少且設(shè)計(jì)用于順序處理，即一次處理一個(gè)任務(wù)，效率遠(yuǎn)不及GPU。盡管現(xiàn)代CPU有4到16個(gè)核心，理論上可以執(zhí)行這些任務(wù)，但與擁有數(shù)千個(gè)核心的GPU相比，其處理速度顯得慢得多。GPU能夠同時(shí)處理大量平行任務(wù)，使得應(yīng)用程序可以更快、更互動(dòng)地運(yùn)行。
此外，特別值得一提的是，GPU也在許多其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在人工智能訓(xùn)練和深度學(xué)習(xí)中發(fā)揮著越來越重要的作用?；贕PU的并行計(jì)算架構(gòu)特性，在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中的大規(guī)模矩陣和向量運(yùn)算能力場(chǎng)景中，GPU往往能夠比CPU提供數(shù)倍的加速效果。此外，GPU能夠加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算過程，使AI訓(xùn)練更加高效。
2.什么是Virtual GPU？
虛擬圖形處理單元（vGPU）是一種技術(shù)，可以將物理GPU的計(jì)算資源分割并分配給多個(gè)虛擬機(jī)(VM)，使每個(gè)虛擬機(jī)能夠獲得專用的圖形處理能力。這種設(shè)計(jì)允許企業(yè)在虛擬化環(huán)境中高效地使用GPU資源，而不必為每個(gè)用戶單獨(dú)提供物理硬件。它的主要目的是通過共享GPU的資源，在遠(yuǎn)程虛擬桌面基礎(chǔ)設(shè)施（VDI）和虛擬化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效圖形渲染，減少延遲并確保性能與傳統(tǒng)PC的圖形處理相當(dāng)。
具體來說，虛擬GPU（vGPU）技術(shù)使圖形密集型應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和3D圖形處理，能夠在虛擬化環(huán)境中流暢運(yùn)行，減少了遠(yuǎn)程用戶在使用圖形應(yīng)用時(shí)的滯后。這種改進(jìn)對(duì)設(shè)計(jì)師、工程師等需要實(shí)時(shí)高質(zhì)量圖形呈現(xiàn)的用戶尤為有利。例如，在虛擬桌面基礎(chǔ)設(shè)施（VDI）中，雖然傳統(tǒng)方法可以有效交付桌面和應(yīng)用程序，但對(duì)于那些使用高端圖形處理的用戶來說，性能會(huì)受到影響，而vGPU技術(shù)解決了這一瓶頸。
NVIDIA在2012年率先推出了虛擬GPU技術(shù)，旨在應(yīng)對(duì)虛擬化圖形處理的挑戰(zhàn)。該技術(shù)不僅大幅提升了用戶體驗(yàn)，還帶來了企業(yè)層面的優(yōu)勢(shì)。通過將圖形處理負(fù)載從CPU轉(zhuǎn)移到GPU，vGPU釋放了CPU資源，從而減少了服務(wù)器硬件占用和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本，尤其是在冷卻和空間資源方面。這種集約化的資源利用，使企業(yè)可以節(jié)省硬件采購(gòu)和運(yùn)行費(fèi)用，并且通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸，前端成本也得以降低。
NVIDIA vGPU生態(tài)體系結(jié)構(gòu)參考示意圖
因此，從某種意義上來講，虛擬GPU（vGPU）技術(shù)的核心在于高效的軟件。以NVIDIA vGPU軟件為例，它巧妙地將強(qiáng)大的NVIDIA Tesla數(shù)據(jù)中心GPU的圖形處理能力，虛擬化為多個(gè)獨(dú)立的GPU資源，并將其分配給不同的虛擬機(jī)。這種技術(shù)就像將一個(gè)強(qiáng)大的物理GPU切割成多個(gè)小型的虛擬GPU，每個(gè)虛擬機(jī)都能夠獲得專屬的圖形資源，如同擁有獨(dú)立的物理顯卡一樣。
3.Virtual GPU是如何工作的？
vGPU的工作原理是通過虛擬化技術(shù)，將物理GPU的計(jì)算能力切分成多個(gè)獨(dú)立的虛擬GPU實(shí)例，并分配給多個(gè)虛擬機(jī)（VM）。這種技術(shù)使得每個(gè)虛擬機(jī)可以共享同一塊物理GPU的資源，同時(shí)保持對(duì)GPU性能的高效利用。vGPU的工作原理可以簡(jiǎn)單概括為以下幾個(gè)部分：
（1）硬件虛擬化層
GPU虛擬化是將物理GPU硬件抽象化的技術(shù)，能夠創(chuàng)建多個(gè)虛擬GPU（vGPU），這些vGPU可以分配給不同的虛擬機(jī)（VM）或容器，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬環(huán)境之間共享物理GPU的計(jì)算資源。這一過程通過一系列軟件組件的協(xié)同工作得以實(shí)現(xiàn)和管理，關(guān)鍵組件包括虛擬機(jī)管理程序（Hypervisor），它負(fù)責(zé)將物理硬件資源分配給虛擬機(jī)，以及專用GPU驅(qū)動(dòng)程序，確保虛擬機(jī)能夠高效使用GPU的計(jì)算能力。
（2）驅(qū)動(dòng)程序和軟件堆棧層
通常而言，在主機(jī)上啟用vGPU（虛擬GPU）時(shí)，涉及多個(gè)關(guān)鍵組件，它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)物理GPU資源的虛擬化，并將這些資源分配給虛擬機(jī)。主要組件如下：
1）主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序：此驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在虛擬機(jī)管理程序（如Hypervisor）或主機(jī)操作系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)與物理GPU硬件的交互。它的作用是管理和劃分物理GPU資源，將其分配為一個(gè)或多個(gè)虛擬GPU實(shí)例（vGPU），從而為虛擬機(jī)提供GPU加速功能。
2）客戶驅(qū)動(dòng)程序：客戶驅(qū)動(dòng)程序安裝在每個(gè)虛擬機(jī)（VM）中，充當(dāng)虛擬機(jī)與主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序之間的橋梁。它通過與主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序通信，訪問分配給虛擬機(jī)的vGPU資源，并處理圖形加速任務(wù)。這使得虛擬機(jī)能夠利用物理GPU的性能來加速圖形和計(jì)算密集型的工作負(fù)載。
3）vGPU管理器：這是由GPU供應(yīng)商（例如NVIDIA）提供的軟件組件，通常作為專門的工具或驅(qū)動(dòng)程序套件的一部分。vGPU管理器主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建、配置和管理vGPU實(shí)例，包括資源分配、性能優(yōu)化以及對(duì)多個(gè)vGPU的調(diào)度和監(jiān)控等功能。它是確保vGPU實(shí)例高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。
需要注意的是：在某些具體的硬件或虛擬化環(huán)境中，可能不需要同時(shí)安裝主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和vGPU管理器。其中一個(gè)組件可能足以滿足vGPU虛擬化的需求。
（3）虛擬機(jī)管理程序集成層
在現(xiàn)代虛擬化環(huán)境中，虛擬機(jī)管理程序（Hypervisor）如VMware vSphere、Citrix XenServer或KVM（基于內(nèi)核的虛擬機(jī)）扮演著關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)管理虛擬GPU（vGPU）的分配和調(diào)度。這些虛擬機(jī)管理程序通過一個(gè)專門的GPU管理層與物理GPU進(jìn)行交互，以確保GPU資源能夠有效地分配給多個(gè)虛擬機(jī)。
（4）資源調(diào)度層
vGPU軟件會(huì)根據(jù)虛擬機(jī)的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地分配和回收虛擬GPU資源。當(dāng)一個(gè)虛擬機(jī)需要進(jìn)行復(fù)雜的圖形渲染任務(wù)時(shí)，可以分配更多的GPU資源；當(dāng)任務(wù)結(jié)束后，可以回收部分資源。
vGPU（虛擬GPU）的工作流程涉及多個(gè)步驟，旨在通過虛擬化技術(shù)將物理GPU資源高效地分配給多個(gè)虛擬機(jī)，以滿足不同應(yīng)用程序的計(jì)算和圖形處理需求。以下是vGPU工作流程的主要步驟：
通過以上步驟，vGPU能夠?qū)崿F(xiàn)物理GPU資源的有效虛擬化，使多個(gè)虛擬機(jī)能夠共享GPU的強(qiáng)大計(jì)算和圖形處理能力。這種高效的工作流程為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活的解決方案，從而滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對(duì)計(jì)算性能和資源利用的需求。
4.Virtual GPU具有哪些核心特性？
（1）使用NVIDIA vGPU實(shí)現(xiàn)真正的硬件虛擬化
通過NVIDIA的vGPU技術(shù)，圖形應(yīng)用程序能夠直接訪問物理GPU，從而實(shí)現(xiàn)真正的硬件虛擬化。這種直接訪問顯著降低了系統(tǒng)延遲，使得復(fù)雜的3D工作負(fù)載得以更高效地處理，提高了整體性能。用戶可以體驗(yàn)到流暢的圖形渲染和實(shí)時(shí)計(jì)算，尤其適用于需要高性能圖形處理的應(yīng)用場(chǎng)景，如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和高端游戲等。
（2）原生圖形硬件堆棧
NVIDIA提供的端到端圖形堆棧包括硬件、Windows驅(qū)動(dòng)程序以及虛擬機(jī)管理程序管理器，確保各個(gè)組件之間的高效協(xié)同工作。這一堆棧支持最新版本的OpenGL和DirectX庫(kù)，為各種應(yīng)用程序提供最大程度的兼容性和性能優(yōu)化。無論是進(jìn)行圖形密集型任務(wù)還是處理復(fù)雜的計(jì)算，用戶都能享受到穩(wěn)定且高效的體驗(yàn)。
（3）利用FlexCast服務(wù)
vGPU技術(shù)結(jié)合了FlexCast服務(wù)，能夠在高性能與最佳可擴(kuò)展性之間找到理想平衡。用戶可以根據(jù)需求選擇僅交付應(yīng)用程序，或通過XenDesktop和XenApp中的FlexCast交付模型提供完整桌面體驗(yàn)。這種靈活的交付方式支持低帶寬環(huán)境，同時(shí)優(yōu)化廣泛的客戶端設(shè)備，使得不同類型的用戶都能在各種設(shè)備上順暢運(yùn)行高性能應(yīng)用。
（4）虛擬機(jī)管理程序要求和虛擬機(jī)管理程序支持
在部署vGPU時(shí)，英特爾和NVIDIA要求在虛擬機(jī)管理程序中安裝專用的軟件管理器。雖然這增加了一個(gè)額外的配置步驟，但這兩種GPU都經(jīng)過認(rèn)證，可以在特定的平臺(tái)上可靠運(yùn)行，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性。相對(duì)而言，AMD采用的SR-IOV技術(shù)（單根I/O虛擬化）使其顯卡能夠以多張?zhí)摂M卡的形式呈現(xiàn)給BIOS，從而不需要在虛擬機(jī)管理程序中安裝額外的軟件組件，這為用戶提供了更為簡(jiǎn)化的配置體驗(yàn)。通過以上特點(diǎn)，vGPU不僅為用戶提供了強(qiáng)大的圖形處理能力和靈活的虛擬化選項(xiàng)，還通過優(yōu)化的技術(shù)架構(gòu)和支持，確保了在各種使用場(chǎng)景中的高效性能和兼容性。這使得vGPU成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算環(huán)境中不可或缺的解決方案，適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。
5.Virtual GPU具有哪些價(jià)值優(yōu)勢(shì)？
虛擬GPU（vGPU）技術(shù)為圖形密集型應(yīng)用程序的交付和訪問方式帶來了顯著的變革，進(jìn)而為企業(yè)和最終用戶提供了一系列重要的優(yōu)勢(shì)。以下是虛擬GPU的主要優(yōu)勢(shì)：
（1）資源共享
GPU虛擬化的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是多個(gè)用戶或任務(wù)可以共享同一個(gè)物理GPU。這種共享機(jī)制有效提升了資源利用率，使得硬件資源得到充分發(fā)揮，從而為組織提供更高的效率。這不僅降低了資源閑置的風(fēng)險(xiǎn)，還使得企業(yè)能夠在不同用戶需求之間靈活分配計(jì)算能力。
（2）性能隔離
虛擬化GPU技術(shù)確保了性能隔離，意味著一個(gè)用戶或任務(wù)的負(fù)載不會(huì)影響到其他用戶或任務(wù)的性能。這種隔離機(jī)制是通過精細(xì)的資源調(diào)度和管理實(shí)現(xiàn)的，能夠在多用戶環(huán)境中提供一致且可靠的性能，確保每個(gè)用戶都能獲得最佳的使用體驗(yàn)。這對(duì)需要高性能計(jì)算或圖形處理的應(yīng)用尤為重要，能夠有效避免因資源爭(zhēng)用而導(dǎo)致的性能下降。
（3）靈活分配
虛擬化GPU能夠根據(jù)不同應(yīng)用程序的需求動(dòng)態(tài)分配資源。隨著業(yè)務(wù)需求的變化，管理者可以靈活地調(diào)整GPU資源的分配，確保各個(gè)應(yīng)用程序始終能夠獲得所需的計(jì)算能力。這種靈活性使得虛擬化GPU能夠適應(yīng)快速變化的工作負(fù)載和用戶需求，從而提高整體運(yùn)營(yíng)效率。
（4）節(jié)省成本
由于多個(gè)用戶可以共享同一物理GPU，GPU虛擬化顯著降低了硬件采購(gòu)和維護(hù)成本。這種共享模式使得企業(yè)無需為每個(gè)用戶單獨(dú)購(gòu)買高性能顯卡，從而在降低初始投資的同時(shí)，降低了長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)成本。通過減少硬件投資，企業(yè)可以將更多資源投入到創(chuàng)新和發(fā)展中。
（5）快速部署
虛擬化GPU簡(jiǎn)化了管理和部署流程，使得應(yīng)用程序交付速度大幅提高。借助于集中管理的虛擬化平臺(tái)，管理員能夠快速配置、管理和分發(fā)應(yīng)用程序，大大減少了部署時(shí)間。這種高效的部署能力對(duì)于需要快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的企業(yè)尤為重要，能夠幫助他們?cè)诟?jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)。
通過以上優(yōu)勢(shì)，虛擬GPU技術(shù)不僅提升了資源利用效率，還為企業(yè)帶來了更好的成本控制和靈活性。這使得vGPU成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算環(huán)境中不可或缺的解決方案，為企業(yè)在圖形密集型應(yīng)用方面的需求提供了強(qiáng)有力的支持。
參考：
https://www.nvidia.com/en-eu/data-center/virtual-gpu-technology/
https://community.fs.com/article/virtual-gpu-unlocking-the-future-of-computing-power.html
