GPU池化和虚拟化

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#大数据 #人工智能

于 2022-08-20 00:02:45 首次发布

本文探讨GPU池化和虚拟化的重要性，旨在提高GPU利用率，减少浪费。介绍了NVIDIA的MIG技术，允许GPU按需切分，实现多用户共享。还讨论了GPU虚拟化的四个阶段，包括远程调用和资源池化，以及GPU在各行各业的应用。

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GPU池化和虚拟化属于计算机体系结构的技术领域，它的本质是进行异构算力的解耦和共享。

痛点分析：

1.之前的做法，如果有一张卡，哪怕只用了1%的计算能力，剩下的99%也无法被利用了，所以算力有耦合不可分。

2.虽然任何一张独立的卡无法满足需求，但是多张卡的算例总和是可以达到算力要求的。

随着人工智能的发展，其对算例的需求呈现指数级增长，自从2012年以来，全球算力需求增长超过30万倍，以GPU为代表的人工智能芯片是支撑算力的核心部件。GPU服务器占据了50%以上的AI算力市场份额，且GPU芯片的价格占到整台服务器成本的80%以上，然而，大部分用户的GPU利用率都比较低，只有10%～30%.其核心原因在于，缺乏GPU池化软件使用户只能基于物理形式直接管理和使用GPU，导致大量的浪费。

资源池化是云计算的核心支撑技术之一，其中心思想是通过软件方法，将各种硬件（GPU，CPU，内存，磁盘，网络）等变成可以动态管理的资源池，从而简化资源管理，实现资源整合，提升资源利用率。GPU池花也遵循这样的理念，对物理GPU进行抽象，软件化后形成一个统一的资源池，方便用户按需求对GPU资源进行有效调用，无需关注实际物理GPU的大小，数量，型号以及安插的物理位置。

学术和产业届一直在探索如何更优化地使用GPU资源，包括伴随服务器虚拟化引入的GPU虚拟化vGPU,伴随容器兴起引入的GPU资源共享，以及利用CUDA进行API劫持和转发的vCUDA,rCUDA.

这些技术基本上可以归纳为四个阶段：

1.简单虚拟化，将单物理GPU按固定比例且分成多个虚拟GPU，例如，2021年NVIDIA在部分Ampere系列GPU上提供了多实例（MULTI-INSTANCE GPU，MIG）GPU，可将A100最多且分成7份。

2.任意虚拟化，以单物理GPU为目标，支持物理GPU从算力和显存维度的灵活切分。实现自定义大小（通常算力最小颗粒度为整体的1%，显存最小颗粒度为1MB），满足虚拟机和容器的使用。

3.远程调用，支持GPU的跨节点调用， AI应用可以部署到数据中心的任意位置，不管所在节点有没有GPU，在该阶段，资源管纳的范围从单个节扩展到由网