GPU虛擬化技術(shù)及應(yīng)用研究

仝伯兵　楊昕吉　謝振平等

摘要：GPU即圖形處理器，在構(gòu)建高性能計(jì)算系統(tǒng)中占有重要地位。為更好地利用GPU的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，GPU虛擬化技術(shù)受到關(guān)注。系統(tǒng)介紹了GPU虛擬化技術(shù)，并對(duì)獨(dú)占使用、設(shè)備模擬和應(yīng)用層接口等3種虛擬化技術(shù)進(jìn)行了研究。從虛擬化桌面應(yīng)用、GPU通用計(jì)算虛擬化和GPU虛擬化的安全問題等方面探討了GPU虛擬化研究的需求及目標(biāo)，給出了GPU虛擬化市場(chǎng)應(yīng)用的可行方案。

關(guān)鍵詞：GPU虛擬化；虛擬化桌面；通用計(jì)算虛擬化

DOIDOI：10.11907/rjdk.151107

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16727800（2015）006015304

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：仝伯兵（1989-），男，山東菏澤人，江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字圖像處理；

謝振平（1979-），男，江蘇常州人，江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院副教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、數(shù)字圖像處理；

梅向東（1966-），男，湖北武漢人，贊奇科技發(fā)展有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槎嗝襟w及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

1 GPU虛擬化研究意義

GPU主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的圖形呈現(xiàn)，具有高性能的多處理器陣列，隨著GPU技術(shù)的發(fā)展，其在3D渲染和大規(guī)模并行計(jì)算中起著越來越重要的作用[1]。

虛擬化技術(shù)[2]是對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算資源使用方式的一次新突破，虛擬計(jì)算技術(shù)的引入打破了真實(shí)計(jì)算中軟件與硬件之間的緊耦合關(guān)系，為不同需求的計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)帶來了活力支撐，圖1給出了計(jì)算系統(tǒng)虛擬化的常見分類。目前市面上的I/O設(shè)備有成千上萬種，I/O設(shè)備的復(fù)雜性、多樣性以及封閉性等特點(diǎn)使其成為虛擬化技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致硬件資源不能得到充分利用，使虛擬機(jī)環(huán)境性能下降，甚至在某些情況下發(fā)生功能缺失現(xiàn)象。GPU（圖形處理器）是顯卡的主要組成部分，功能包括圖形（2D和3D）計(jì)算與通用計(jì)算兩部分。目前除去少數(shù)2D顯示標(biāo)準(zhǔn)外，國(guó)際上對(duì)顯卡的硬件電氣接口并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，各主要硬件生產(chǎn)廠家之間設(shè)備接口互不兼容。由于技術(shù)革新?lián)Q代等原因，同一廠家的不同產(chǎn)品之間兼容也不好。另外，出于商業(yè)利益，這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都是廠家的核心機(jī)密，從不對(duì)外公布設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和源碼，使得在操作系統(tǒng)層面適應(yīng)不同硬件的驅(qū)動(dòng)協(xié)議棧開發(fā)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。目前商業(yè)級(jí)的VMware[3]以及開源的Xen[4]等主流虛擬機(jī)管理器（VMM）都只在小范圍內(nèi)解決了2D圖形顯示問題，很少涉及通用計(jì)算和3D加速這兩項(xiàng)GPU主要功能。在I/O虛擬化研究中，當(dāng)設(shè)備虛擬化不能在硬件電氣層實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用在邏輯層對(duì)其進(jìn)行模擬的方式，以網(wǎng)卡虛擬化為例，就是在傳輸層或網(wǎng)絡(luò)層完成的虛擬化。然而，在大規(guī)模數(shù)值計(jì)算時(shí)，GPU的計(jì)算效率是CPU的成百上千倍，這是CPU無法企及的。基于上述種種原因，迄今為止GPU還難以真正虛擬化。

2 GPU虛擬化方法

目前GPU虛擬化技術(shù)有3類：①獨(dú)占使用；②設(shè)備模擬；③應(yīng)用層接口虛擬化（API 重定向法），下面分別展開闡述。

2.1 獨(dú)占使用

獨(dú)占使用（VMM pass-through）是指繞過虛擬機(jī)的管理系統(tǒng)，將GPU使用權(quán)直接分配給某一虛擬機(jī)，任何時(shí)刻都只有一臺(tái)虛擬機(jī)擁有GPU的使用權(quán)限。這種虛擬化方式使GPU的獨(dú)立性與完整性得以保存，而且效果與非虛擬條件下的結(jié)果差別不大，同時(shí)，能夠進(jìn)行通用計(jì)算。然而，這種方式與虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)分配、資源共享的理念不符。另外，獨(dú)占使用方案兼容性不理想。以Xen VGA Passthrough[5]為例，它運(yùn)用了英特爾設(shè)備虛擬[6]（Intel VT-d）技術(shù)，在運(yùn)行時(shí)將主顯設(shè)備直接分配給某一客戶虛擬機(jī)，使宿主虛擬機(jī)和其它客戶虛擬機(jī)都沒有訪問該GPU的權(quán)限。同時(shí)，VESA 模式、 VGABIOS、IO 端口、文本模式、內(nèi)存映射這些顯卡的特殊細(xì)節(jié)在客戶虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)并且能夠直接訪問。使用 Xen VGA Passthrough 技術(shù)的GPU執(zhí)行效率高、功能全，但它不具有設(shè)備復(fù)用功能，只能被單一系統(tǒng)獨(dú)占式使用，因而在實(shí)際中較少應(yīng)用。

獨(dú)占設(shè)備法的設(shè)計(jì)思路是使原生驅(qū)動(dòng)和硬件能夠被客戶操作系統(tǒng)直接使用，缺少必要的中間層維護(hù)和GPU狀態(tài)跟蹤，對(duì)實(shí)時(shí)遷移等高級(jí)特性支持不足。比如VMware在用戶文檔中明確指出：開啟VMDirectPath I/O 功能時(shí)，其對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)將會(huì)失去執(zhí)行實(shí)時(shí)遷移、掛起/恢復(fù)的能力，Xen Passthrough則禁止執(zhí)行 restore/ save/migration等操作。

2.2 設(shè)備模擬

該技術(shù)是使用CPU來模擬GPU的電氣化接口，從而實(shí)現(xiàn)GPU的功能?；谠O(shè)備模擬的GPU虛擬化在沒有物理硬件的支持下，通過純軟件的方式實(shí)現(xiàn)GPU虛擬化。由于GPU電氣單元數(shù)量龐大，出于商業(yè)利益考慮，各大廠家的GPU電氣接口細(xì)節(jié)對(duì)外是保密的，并且不同的生產(chǎn)廠家甚至同一廠家不同型號(hào)的GPU結(jié)構(gòu)差異也很大，這在很大程度上增加了設(shè)備模擬的難度。這種模擬器只是在軟件調(diào)試和硬件設(shè)計(jì)時(shí)得到應(yīng)用，并不能作為VMM中的虛擬設(shè)備使用。QEMU[7]目前具備基本2D功能的顯卡（Cirrus CLGD 5446 PCI VGA card），已經(jīng)在虛擬化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，但也只仿真了GPU的部分功能，如在KVM和Xen中負(fù)責(zé)虛擬化顯示設(shè)備。VMware SVGAII[8]是VMware中獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的仿真設(shè)備，能支持2D顯示和Direct3D接口，但不支持OPENGL，且對(duì)Direct3D的支持仍然是使用API 重定向技術(shù)。

由于在設(shè)備模擬中，設(shè)備的狀態(tài)位于內(nèi)存、CPU等VMM管理部分，其對(duì)虛擬機(jī)的某些高級(jí)特性如實(shí)時(shí)遷移等適應(yīng)性較好，虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)遷移、系統(tǒng)快照和多路復(fù)用等功能均能拓展到GPU相關(guān)領(lǐng)域。然而使用CPU模擬方式并不能高效完成GPU的并行計(jì)算，在執(zhí)行時(shí)間上CPU是GPU的成百上千倍，導(dǎo)致實(shí)用價(jià)值較差。

2.3 API重定向技術(shù)

應(yīng)用接口虛擬化（API remoting，API重定向技術(shù)），是指對(duì)GPU相關(guān)的應(yīng)用程序編程接口在應(yīng)用層中進(jìn)行攔截，然后使用重定向（使用GPU）或模擬（不使用GPU）方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，將完成的結(jié)果返回給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。目前，OPENGL等傳統(tǒng)圖形API中已經(jīng)廣泛使用了API重定向虛擬化技術(shù)。

Chromium[9]提出了一種將特定的模塊插入到OPENGL指令流中的機(jī)制，改變了OPENGL的執(zhí)行流程，從而實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模分布式圖形呈現(xiàn)與渲染。Blink[10]項(xiàng)目是采用攔截OPENGL在多個(gè)客戶操作系統(tǒng)之間的復(fù)用3D顯示設(shè)備。VMware的GPU虛擬化方案則更加復(fù)雜，它結(jié)合API 重定向技術(shù)與設(shè)備仿真兩種方案特點(diǎn)，采用前端-后端的運(yùn)行模式。前端由虛擬GPU與偽顯卡驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，位于客戶操作系統(tǒng)中；后端則由原生顯卡驅(qū)動(dòng)和特殊線程MKS（Mouse-Keyboard-Screen）構(gòu)成，位于宿主操作系統(tǒng)中。當(dāng)GPU的相關(guān)指令傳遞到MKS時(shí)，MKS會(huì)按照指令類型驅(qū)動(dòng)不同的功能單元，如2D圖形指令對(duì)應(yīng)X11或GDI端口，3D圖形指令對(duì)應(yīng)Direct3D或OPENGL端口。前后端之間的通信采用FIFO管道與DMA兩種傳輸模式，VMware通過設(shè)置共享內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行虛擬顯存，優(yōu)化了客戶操作系統(tǒng)與宿主操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，減少了數(shù)據(jù)復(fù)制操作的次數(shù)。

API重定向技術(shù)方案處理參數(shù)在API層進(jìn)行，能夠管理虛擬機(jī)內(nèi)部狀態(tài)。VMware、Blink等方案對(duì)虛擬機(jī)的高級(jí)特性有不同程度的支持，如VMware實(shí)現(xiàn)了針對(duì)2D、3D應(yīng)用的快照、復(fù)用、凍結(jié)、遷移等功能，完全支持虛擬機(jī)的各種高級(jí)特性，VMGL[11]實(shí)現(xiàn)了3D應(yīng)用在虛擬機(jī)中的凍結(jié)/恢復(fù)與多路利用功能。

通過分析，可將上述3種GPU虛擬化方法匯總為表1。API 重定向研究在通用計(jì)算與圖形計(jì)算方面成果顯著，但性能問題依然是不足之處。在將本地執(zhí)行代碼重定向到遠(yuǎn)程虛擬機(jī)執(zhí)行時(shí)會(huì)涉及大量數(shù)據(jù)的傳輸和復(fù)制，這是各種虛擬方案難以避免的問題，而采用域間通信技術(shù)是解決此問題的一種有效方法。

3 GPU虛擬化應(yīng)用研究

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)GPU虛擬化研究的重點(diǎn)在虛擬化桌面應(yīng)用、GPU通用計(jì)算虛擬化和GPU虛擬化的安全問題等幾個(gè)方面。

3.1 虛擬化桌面應(yīng)用

虛擬化桌面應(yīng)用指虛擬機(jī)在物理機(jī)上提供給用戶透明的桌面使用環(huán)境，這些桌面使用環(huán)境通常具備良好的可遷移性。通常，多個(gè)被虛擬出的桌面環(huán)境要求完全隔離和平行，用戶可以將多種不同的應(yīng)用放在多個(gè)不同的虛擬桌面環(huán)境中完成。此外用戶還能在各個(gè)虛擬桌面系統(tǒng)之間快速切換，同時(shí)根據(jù)各自的需求在各虛擬桌面環(huán)境中進(jìn)行快速部署、用途設(shè)定和遷移。虛擬桌面技術(shù)需要提供良好的人機(jī)交互界面能力，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的桌面應(yīng)用都需要進(jìn)行頻繁的用戶交互。隨著計(jì)算機(jī)的普及，大型3D游戲、視頻播放等娛樂應(yīng)用越來越流行，對(duì)畫面顯示能力的要求也越來越高，高性能與流暢的圖形顯示能力已成為虛擬化桌面系統(tǒng)的必然要求。因此，對(duì)現(xiàn)有虛擬化技術(shù)中圖形處理性能進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)成為研究主流，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的圖形解決方案進(jìn)行改進(jìn)以提高虛擬化后圖形的處理性能。

圖形處理方式包括直接采用物理顯卡和采用虛擬顯卡即GPU虛擬化方式。其中，物理顯卡的方式就是在對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行整合與分配時(shí)，直接將物理顯卡的控制權(quán)重新分配給特權(quán)的虛擬機(jī)。與真實(shí)物理主機(jī)相比，這種方式使特權(quán)虛擬機(jī)可以獲得同樣的圖形效果，然而它與虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)分配、資源共享的設(shè)計(jì)理念不符，并且增加了使用成本；GPU虛擬化方式即在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)中模擬一塊能夠進(jìn)行圖形處理的物理顯卡。目前系統(tǒng)級(jí)GPU虛擬化方式實(shí)現(xiàn)包括Xen 虛擬幀緩存、VMware虛擬圖形顯示處理器GPU（Graphics Processing Unit）、虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)VNC（Virtual Network Computing）以及獨(dú)立于虛擬機(jī)管理器的圖形加速系統(tǒng)[11]VMGL （VMM-Independent Graphics Acceleration）。虛擬化桌面系統(tǒng)的圖形加速方案通常采用GPU的API重定向虛擬化技術(shù)，研究成果有GPU通用計(jì)算框架 vCUDA[12]（virtual VUDA）、GPU圖形虛擬化方案VMGL以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)挠蜷g通信系統(tǒng)。

3.2 GPU通用計(jì)算虛擬化

目前針對(duì)GPU虛擬化的研究仍處于起步階段，大多數(shù)都是針對(duì)2D、3D圖形處理，在GPU通用計(jì)算方面涉及較少。隨著GPU性能的提升，其優(yōu)秀的通用計(jì)算能力越來越顯著，與圖形計(jì)算一樣成為研究的熱點(diǎn)。第一個(gè)GPU通用計(jì)算專用框架CUDA于 2007 年推出。vCUDA[12]采用在用戶層攔截并重定向CUDA API的思路，在虛擬機(jī)中建立物理GPU的邏輯映像虛擬GPU，實(shí)現(xiàn)了GPU資源細(xì)粒度劃分、重組與再利用等功能，支持掛起/恢復(fù)、多機(jī)并發(fā)等虛擬機(jī)高級(jí)特性，使得在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)GPU通用計(jì)算虛擬化成為可能。Pegasus項(xiàng)目[13]則是基于Xen實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)管理平臺(tái)，為了提高GPU的資源利用率，它將CPU和GPU視為統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度資源，解決了傳統(tǒng)異構(gòu)虛擬機(jī)環(huán)境中存在的GPU資源調(diào)度失配的問題。CheCUDA[14]則借鑒了vCUDA對(duì)CUDA狀態(tài)進(jìn)行管理和追蹤的思路，討論了在非虛擬化條件下實(shí)現(xiàn)CUDA狀態(tài)恢復(fù)和保存的可能性，實(shí)現(xiàn)CUDA程序中的檢查點(diǎn)方案。

3.3 GPU虛擬化安全問題

在信息爆炸的大背景下，安全性成為GPU虛擬化不容忽視的問題，關(guān)于GPU虛擬化安全計(jì)算的研究同樣處于起步階段。

有關(guān)虛擬機(jī)的安全性研究包括：2010年Harnik[15]等人從隱蔽和側(cè)面渠道等角度解決重復(fù)數(shù)據(jù)刪除所帶來的安全隱患；2012年Wu[16]等人斷言：由于在物理內(nèi)核上分配了虛擬內(nèi)核，緩存隱蔽和側(cè)通道是不實(shí)用的，他們提出了一種新的基于總線爭(zhēng)用的隱蔽信道，通過使用原子操作來鎖定共享內(nèi)存總線。關(guān)于GPU特有的安全性研究有：Maurice[17]等人在基于設(shè)備獨(dú)占的 GPU 虛擬化上，分析了不同VM順序訪問同一GPU硬件可能存在的全局內(nèi)存信息泄露問題，并結(jié)合現(xiàn)存的云計(jì)算平臺(tái)研究了云環(huán)境下的GPU信息泄露問題。GPU的全局內(nèi)存清零只是糾錯(cuò)碼的一個(gè)副作用，并沒有涉及安全考慮；趙冰[18]提出了基于二進(jìn)制哈希樹的綁定方案，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)vPCR與單一硬件PCR 的綁定機(jī)制，建立起了真正意義上基于硬件基礎(chǔ)的信任鏈，可大大提高GPU虛擬化平臺(tái)對(duì)惡意軟件的免疫力。

4 GPU虛擬化解決方案

作為先進(jìn)GPU技術(shù)與應(yīng)用的提供者，NVIDIA一直致力于通過將GPU強(qiáng)大的計(jì)算能力引入到通用計(jì)算領(lǐng)域，來實(shí)現(xiàn)并幫助企業(yè)“加速”業(yè)務(wù)體驗(yàn)和市場(chǎng)決策。目前，NVIDIA主要包括GeForce、Quadro、Tesla、Tegra、GRID五條產(chǎn)品線[19]，可按照市場(chǎng)定位劃分為面向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)和面向企業(yè)級(jí)市場(chǎng)兩大類，其中GeForce和Tegra分別定位在PC和移動(dòng)市場(chǎng)，屬消費(fèi)類產(chǎn)品；Quadro、Tesla以及GRID定位企業(yè)級(jí)市場(chǎng)，分別瞄準(zhǔn)的是專業(yè)圖形計(jì)算、高性能計(jì)算以及云計(jì)算市場(chǎng)。在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)，NVIDIA先是推出Quadro專業(yè)顯卡來滿足企業(yè)的專業(yè)設(shè)計(jì)需求，再通過推出Tesla主打高性能服務(wù)器市場(chǎng)，并根據(jù)企業(yè)“設(shè)計(jì)+仿真”一體化需求，推出了集圖顯與計(jì)算為一體的MAXIMUS產(chǎn)品，從而可以根據(jù)用戶需求合理高效地分配計(jì)算資源，加速研發(fā)進(jìn)程。市面上已有的NVidia GPU虛擬化解決方案包括GPU pass-through、vSGA、GPU Sharing、VGX，表2為以思杰為代表的GPU虛擬化解決方案分類。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，GPU虛擬化將充分釋放GPU的并行計(jì)算能力，大幅降低企業(yè)面對(duì)諸如大數(shù)據(jù)分析、動(dòng)漫設(shè)計(jì)、電影特效渲染等高性能計(jì)算需求成本，同時(shí)提升云計(jì)算應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文對(duì)GPU虛擬化技術(shù)進(jìn)行了研究與分析，介紹了GPU虛擬化的主要方法；對(duì) 虛擬化桌面應(yīng)用、GPU通用計(jì)算虛擬化和GPU虛擬化的安全問題進(jìn)行了分析探討，給出了相關(guān)研究的主要需求點(diǎn)和目標(biāo)；對(duì)GPU虛擬化市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了梳理，給出了可行的解決方案。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）

英文摘要Abstract：GPU， as a type of very high cost efficient computing resource， has become an important component to construct high performance computing system. Meanwhile， GPU virtualization also has been paying more and more attention so as to improve practical usage efficiency. First， a brief introduction on GPU virtualization techniques is given in this paper， and three main GPU virtualization techniques including exclusive use， GPU virtual equipment simulation and application layer interface virtualization are detailedly described. Second， virtual desktop application， GPU virtualization for general computation， and the security issues of virtual GPUs are analyzed. At last， several GPU virtualization solutions for some typical applications are concluded out.

英文關(guān)鍵詞Key Words： GPU Virtualization；Virtual Desktop；General Computing Virtualization；Application Analysis