Nvidia GPU池化-远程GPU

1 背景

Nvidia GPU得益于在深度学习领域强大的计算能力，使其在数据中心常年处于绝对的统治地位。尽管借助GPU虚拟化实现多任务混布，提高了GPU的利用率，缓解了长尾效应，但是GPU利用率的绝对值还是不高，长尾现象依然存在。

网卡池化、存储池化、内存池化、CPU池化等一系列相近基础设施领域的技术演进，让大家对GPU池化也产生了一些想法。面对依赖PCIe和NVLink实现小范围连接的GPU机器，人们迫切希望能跨TOR、跨机房甚至跨地域调用GPU，从而降低集群整体的GPU碎片率，GPU池化应运而生，而其中关键的技术难点在于实现远程GPU。

此外，GPU池化不仅可以结合GPU虚拟化实现GPU资源的极致共享，也可以突破CPU与GPU的配比极限，理论上可以实现任意配比。

2 远程GPU

在深度学习领域，Nvidia GPU的软件调用栈大致如下图所示，从上至下分别为：

• User APP：业务层，如训练或推理任务等
• Framework：框架层，如tensorflow、pytorch、paddle、megengine等
• CUDA Runtime：CUDA Runtime及周边生态库，如cudart、cublas、cudnn、cufft、cusparse等
• CUDA User Driver：用户态CUDA Driver，如cuda、nvml等
• CUDA Kernel Driver：内核态CUDA Driver，参考官方开源代码，如nvidia.ko等
• Nvidia GPU HW：GPU硬件

目前远程GPU主要通过DPU或者在CUDA Runtime/Driver层拦截API实现。

2.1 Fungible

Fungible通过DPU和PCI vSwitch经网络连接GPU，替代传统的PCIe直连方式，GPU连接数量也超过传统的8:1，达到了55:1。

经过测试，连接2个GPU的DPU方案对性能的影响较小。在某些情况下，DPU解决方案的延迟更高，带宽也比PCIe低。如果将10个GPU连接到一个DPU上，那么物理带宽就会减少。

23年1月份，Fungible被微软收购，加入微软的数据中心基础设施工程团队，专注于提供多种DPU解决方案、网络创新和硬件系统改进。

2.2 rCUDA

西班牙Universitat Politecnica de Valencia并行架构组的一个开发项目，提供了一套远程GPU虚拟化解决方案，支持以透明的方式并发远程使用支持CUDA的设备。不仅可以部署在集群中，允许单个非MPI应用程序使用集群中的所有GPU，从而提高GPU利用率并降低总体成本，而且还可以在虚拟机中运行应用程序访问安装在远程物理机中的GPU。其最新的研究成果和计划都会放在官网，有兴趣的可以访问官网详细了解。

2.3 Bitfusion

Bitfusion提供的GPU资源池的工作原理是在CUDA Driver层面上截获了所有的CUDA服务访问，然后把这些服务请求和数据通过网络传递给Bitfusion Server，在服务器这一端再把这些服务请求交给真正的CUDA Driver来处理。

19年7月份，戴尔旗下的云计算公司VMware收购Bitfusion，之后这套方案被集成到vSphere平台中，主要分为两部分：

• Bitfusion Server：把GPU安装在vSphere服务器上（要求vSphere 7以上版本），然后在上面运行Bitfusion Server，Bitfusion Server可以把物理GPU资源虚拟化，共享给多个用户使用。
• Bitfusion Client：Bitfusion Client是运行在其他vSphere服务器上的Linux虚机（要求 vSphere 6.7 以上版本），机器学习工作负载运行在这些虚拟机上，Bitfusion会把它们对于GPU的服务请求通过网络传输给Bitfusion Server，计算完成后再返回结果。对于机器学习工作负载来说，远程GPU是完全透明的，它就像是在使用本地的GPU硬件。

2.4 OrionX

19年4月份，国内AI加速器虚拟化及资源池化服务商趋动科技成立，初创团队来自于Dell EMC中国研究院，主要为用户提供AI加速器虚拟化和资源池化软件及解决方案。其研发的Orion vGPU软件是一个为云或者数据中心的GPU提供资源池化和虚拟化能力的系统软件。通过高效的通讯机制，使得CUDA应用可以运行在云或者数据中心内任何一个物理机，容器或者虚拟机内无需挂载物理GPU，同时为这些应用程序提供在GPU资源池中的硬件算力。

OrionX主要通过拦截CUDA Runtime/Driver及其周边生态库的API实现，核心分为以下几个部分：

• Orion Controller：负责整个GPU资源池的资源管理。其响应Orion Client的vGPU请求，并从GPU资源池中为Orion Client端的CUDA应用程序分配并返回Orion vGPU资源。
• Orion Server：负责GPU资源化的后端服务程序，部署在每一个CPU以及GPU节点上，接管本机内的所有物理GPU。当Orion Client端应用程序运行时，通过Orion Controller的资源调度，建立和Orion Server的连接。Orion Server为其应用程序的所有CUDA调用提供一个隔离的运行环境以及真实GPU硬件算力。
• Orion Client：模拟了NVidia CUDA的运行库环境，为CUDA程序提供了API接口兼容的全新实现。通过和Orion其他功能组件的配合，为CUDA应用程序虚拟化了一定数量的虚拟GPU（Orion vGPU）。使用CUDA动态链接库的CUDA应用程序可以通过操作系统环境设置，使得一个CUDA应用程序在运行时由操作系统负责链接到Orion Client提供的动态链接库上。由于Orion Client模拟了NVidia CUDA运行环境，因此CUDA应用程序可以透明无修改地直接运行在Orion vGPU之上。

3 其他

3.1 技术难点

由于Nvidia的闭源性，远程GPU存在不少的技术难点，比如Kernel Launch机制、Context机制、隐藏API等，同时工程上也存在一些难点，比如数以千计API拦截的开发和维护等，可参考cuda_hook开源代码。

3.2 GPU热迁移

GPU池化配合虚拟化可以更好地实现云服务的弹性伸缩，但在集群资源紧张或者碎片率较高时，弹性伸缩的成功率偏低，此时亟需GPU任务的热迁移技术，配合集群的统筹调度，提高云服务弹性伸缩的成功率。