总第15期
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新华三云桌面GPU解决方案剖析
文/许海利
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众所周知,服务器的虚拟化实现了将物理资源抽象成逻辑资源,打破了传统IT物理资源的界限,将虚拟资源动态管理,从而提高资源的利用率,简化系统管理,让IT对业务的变化更具适应力。然而,GPU(Central Processing Unit)资源池化一直没有得到技术突破,限制了业务全面云化的发展进程。尤其在虚拟桌面场景中,很多行业业务涉及到3D图形设计和视频渲染,如建筑、制造、游戏、媒资、动漫设计等,这些专业性极强的3D类软件需要消耗大量的计算资源,使用GPU虚拟化技术可大大加速3D渲染的速度,提高3D设计的效率。

一、传统VDI架构存在的问题

传统VDI架构下,一般是采用CPU来处理计算和图形任务的。想要弄清楚传统VDI架构的问题,就先要理清CPU处理任务的工作方式。CPU由专为顺序串行处理而优化的几个核心组成,而GPU主要进行浮点运算和并行运算,这和CPU有本质的区别。CPU主要用来处理通用任务,因此具有复杂的控制单元,重逻辑、轻计算是它的一大特点。而GPU主要用来处理计算性强而逻辑性不强的计算任务。一般情况下,GPU都内置了成百上千个核心,也被称之为众核,GPU的工作原理就是并行计算,正因如此,在并行处理特定数据的时候,GPU比CPU更加高效。

上图是CPU和GPU物理设备的详细逻辑结构图,其中绿色的是计算单元,橙红色的是存储单元,橙黄色的是控制单元。CPU是由控制器和运算器两部分构成,可以处理操作系统上的复杂任务,除了计算之外,还可以进行资源管理调度等。而GPU,是通过CPU将大量并行任务移交到GPU,GPU对重复任务进行并行执行,来提高了整体的性能。GPU采用了数量众多的计算单元和超长的流水线,但只有非常简单的控制逻辑并省去了Cache。而CPU不仅被Cache占据了大量空间,而且还有有复杂的控制逻辑和诸多优化电路,相比之下计算能力只是CPU很小的一部分。GPU数以千计的核虽具有高性能计算能力,但仍然离不开CPU这个大脑神经中枢。这就是为什么GPU具有特定的一些优势应用领域的原因。

图形设计是GPU很重要的使用领域,因为该任务具有高度的并行性,CPU是无法达到使用户满意的效果的,而采用GPU可仅仅通过增加并行处理单元和存储器控制单元便可有效的提高处理能力和存储器带宽。因此,在VDI架构中,GPU在具备大量重复数据集运算和频繁内存访问等特点的应用场景(3D渲染、VR/AR沉浸式教室、视频编辑等)中具有无可比拟的优势。

然而,GPU虽然在图形设计方面有独有的优势,但是在与VDI架构融合之时并没有那么容易,虚拟化底层和GPU驱动的高度集成,加之需要通过虚拟桌面连接协议层转发和呈现,这些问题在很长的一段时间里都没有得到很好的解决。

二、GPU解决方案介绍

3D图形设计指的是需要显卡辅助来支持的3D应用,通常是符合DirectX或OpenGL图形技术规范的应用。近些年普通办公场景下的VDI技术日趋成熟,云桌面3D图形设计方面的技术开始加速发展,各厂商都加大了研发投入并推出了相应的解决方案,如VMWarevSGA和vDGA、Citrix的HDX 3D Pro、Nvidia的GPU硬件虚拟化。

新华三作为云桌面行业的领先者,是国内一直坚持自主研发云桌面平台的厂家,也是为数不多的基于KVM虚拟化平台提供基于软件GPU、GPU直通及GPU虚拟化等技术的全栈式GPU解决方案的厂家。新华三可提供的GPU解决方案有如下几种:

1. 软件GPU

软件GPU就是完全用软件程序来模拟GPU的功能。在此模拟下,软件GPU不做任何硬件加速,桌面虚拟机的界面由CPU形成位图后,再写到模拟GPU的视频缓冲区,用户看到的桌面其实就是终端根据GDI指令重构的远程桌面。

在该场景中,主要是利用CPU的运算能力,进行“软渲染”。对于3D设计软件来说还是可以在虚拟机中调用3D图形驱动程序来实现各种3D运算,但这些运算都是由宿主机的CPU来完成的,运算速度远不及GPU,而且会占用很多的CPU资源。这种“软渲染”在运行图形软件、高清视频时会遇到各种问题。比如运行Windows Aero软件时会出错、有些3D软件也安装不上、运行Google Earth和播放高清视频有时卡屏比较严重。

2. GPU直通

GPU直通也叫做显卡穿透(pass-through),是指绕过虚拟机管理系统,将每个物理GPU绑定给一个虚拟机,只有该虚拟机拥有使用GPU的权限,通过驱动直接访问物理GPU,这种独占设备的方法分配方式保存了GPU的完整性和独立性,在性能方面与非虚拟化条件下接近,且可以用来进行通用计算。但是显卡直通需要利用显卡的一些特殊功能,仅在部分GPU中设备可以使用。

H3C CAS的GPU直通就是利用Intel设备虚拟化(Intel VT-d)和PCI Passthrough技术将其集成到云桌面产品方案中,从而实现硬件GPU的直通。新华三云桌面针对虚拟桌面协议在图形呈现方面进行深度优化,配合高密的GPU刀片式服务器,能提供多块GPU显卡,提升单主机GPU供应能力,提升性价比,在此之上还创新式的开发了动态显卡调度技术,显卡能在多台虚机之间调度使用,提升资源利用效率。

但是从总体来说,单台服务器能够支持插入的显卡数量还是有限,这主要受制于PCIE总线带宽、空间、散热和供电的制约因素。因此,单台服务器能够支持的GPU虚拟桌面不会太多,所以在实际的VDI项目规划中,GPU直通技术主要还是适合于高性能图形需求比例较低的场景。

3. GPU硬件虚拟化

GPU硬件虚拟化就是利用虚拟化vGPU技术将显卡进行切片,并将这些显卡时间片分配给虚拟机使用的过程。由于支持GPU硬件虚拟化的显卡一般可以根据需要切分成不同的规格的时间片,因此可以分配给多台虚拟机使用。其实现原理就是利用应用层接口虚拟化(API remoting)技术,在应用层进行拦截与GPU相关的应用程序编程接口,通过重定向(仍然使用GPU)的方式完成相应功能,再将执行结果返回应用程序。

新华三云桌面解决方案中,使用的是与NVIDIA公司联合开发的GPU虚拟化技术,NVIIDA是业内领先的GPU整体解决方案提供商。利用vCUDA(virtual CUDA)核心技术在虚拟机中建立物理GPU的逻辑映像,将NVIDIA GRID显卡虚拟成多个vGPU,多个虚拟机共享一个物理GPU卡,从而实现GPU资源的细粒度划分、重组和再利用,支持多机并发、挂起恢复等虚拟机高级特性,达到资源共享的目的。

三、应用场景分析

1. 图形制作场景

3D渲染设计师(计算、渲染密集型)

采用专业图形工作站方式进行桌面业务处理,常用于CAD/CAE/CAM领域专业设计人员,经常会涉及到对图形进行渲染的操作,此类制图软件通常对于3D接口(OpenGL/DirectX)有一定的接口兼容性要求。计算、渲染计算需求量较大,硬件方面需要具有高处理能力CPU、高吞吐总线,并配置中高端系列GPU卡。

此类场景通常采用GPU直通或GPU硬件虚拟化高端vGPU类型配置方案。

3D图形设计人员(计算、渲染中载)

本场景具有如下特点,用户同样适用上述图形软件进行业务处理,如部件级别编辑或图纸查看,除基本的2D功能外,用户具有3D硬件加速要求,对于计算、渲染有一定性能要求,目前的品牌PC机+独立GPU可以满足其工作要求,应用软件的运行要求具有一定的3D图形加速能力。

此类场景可以通过GPU硬件虚拟化中端vGPU类型配置方案满足其计算、渲染要求。

轻量级3D图形用户(无特殊性能要求)

本场景的主要用户是生产加工人员和轻量级3D用户,本场景具有如下特点:用户为生产加工人员、轻量级3D用户和非专业制图类用户,工作重点领域包括查阅图纸,轻量编辑,办公应用,丰富的Web的体验,及流畅的视频播放功能。对用户体验有着特殊的需求,切换至虚拟桌面后仍然希望可以运行原有PC上程序。

此类场景通常采用GPU硬件虚拟化低端vGPU类型配置方案。

2. 视频编辑场景

专业的视频编辑场景中,用户使用的专业编辑软件主要有索贝的Nova、NewStar等。主要应用于Windows虚拟桌面之上,目前使用的最频繁且最专业的莫过于媒资行业了。大致可以分为以下几种用户模型:

视频渲染合成编辑(计算、渲染密集型)

采用专业图形工作站方式进行桌面业务处理,常用于多媒体领域专业设计人员,此类场景主要使用集剪辑、特效、合成于一体的集成化后期制作平台,对100M、200M高清视频进行渲染合成工作。视频文件编辑内容复杂,合成、渲染计算需求量较大,硬件方面需要具有高处理能力CPU、高吞吐总线,并配置中高端系列GPU卡。

应用场景:根据编辑好的视频工程文件,进行视频的合成渲染、生成成片,这个过程需要持续消耗较多的GPU和CPU资源,通常采用GPU直通方案。

高清视频编辑(计算、渲染中载)

采用专业图形工作站方式进行桌面业务处理,常用于多媒体领域专业设计人员,比如媒资行业的视频精编业务、高校动漫专业,此类场景的视频文件需要同时处理多轨高清视频,渲染计算需求量较大,需要高主频的CPU,配置中高端系列GPU卡。

应用场景:电视台内部中量级高清120M精编业务(可以覆盖电视台60%以上的精编业务)。通常采用GPU直通或高端vGPU类型配置方案实现3-6轨120M高清视频流畅编辑制作,构建统一计算资源池,支撑合成渲染等服务器资源的池化以及灵活调配,提升资源利用率。

标清视频编辑(计算、渲染轻载)

此场景下,用户使用编辑软件对标清视频进行编辑及视频审查,除基本的2D功能外,用户具有3D硬件加速要求,对视频进行于计算、渲染有一定性能要求,目前的品牌PC机+独立GPU可以满足其工作要求,应用软件的运行要求具有一定的图形加速能力,其桌面主要应用仍然为图形应用,此类用户对成本较敏感。

应用场景:媒资行业内部轻量级的视频编辑业务,比如一轨、两轨的高清120M新闻业务生产;或者标清节目视频的生产,可以通过vGPU的方式一虚多,降低成本。此类场景可以通过GPU硬件虚拟化中低端vGPU类型配置方案满足其计算、渲染要求。

结束语:

作为数字化解决方案领导者,新华三以云计算、人工智能为契机,为客户提供了包括基础设施、虚拟化、云平台、云桌面、瘦终端在内的整体解决方案,满足客户以云计算为核心的ICT业务发展需求。凭借自主研发的CloudOS云平台,以及国内市场占有率第一的虚拟化平台CAS,通过H3Cloud Desktop云桌面在教育、政府、企业以及融媒等多个行业的实践,立足开放合作的理念,携手合作伙伴提供覆盖全行业、全场景的端到端云桌面解决方案,帮助客户构筑先进、高效的IT平台。

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