virtualización de GPU

La virtualización de GPU se refiere a tecnologías que permiten el uso de una GPU para acelerar gráficos o aplicaciones GPGPU que se ejecutan en una máquina virtual . La virtualización de GPU se utiliza en diversas aplicaciones, como la virtualización de escritorios , ^{[ 1 ]} los juegos en la nube ^{[ 2 ]} y la ciencia computacional (por ejemplo, simulaciones hidrodinámicas ). ^{[ 3 ]}

Las implementaciones de virtualización de GPU generalmente involucran una o más de las siguientes técnicas: emulación de dispositivos, acceso remoto a la API, paso directo fijo y paso directo mediado. Cada técnica presenta diferentes ventajas y desventajas con respecto a la relación de consolidación de máquina virtual a GPU , aceleración gráfica , fidelidad de renderizado y soporte de funciones , portabilidad a diferentes hardware, aislamiento entre máquinas virtuales y soporte para suspensión/reanudación y migración en vivo . ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

En el acceso remoto a API o el reenvío de API, las llamadas a las API gráficas de las aplicaciones invitadas se reenvían al host mediante una llamada a procedimiento remoto , y el host ejecuta los comandos gráficos de múltiples invitados utilizando la GPU del host como un solo usuario. ^{[ 1 ]} Puede considerarse una forma de paravirtualización cuando se combina con la emulación de dispositivos. ^{[ 7 ]} Esta técnica permite compartir recursos de GPU entre múltiples invitados y el host cuando la GPU no admite la virtualización asistida por hardware. Es conceptualmente simple de implementar, pero tiene varias desventajas: ^{[ 1 ]}

• En el acceso remoto a API puro, existe poco aislamiento entre máquinas virtuales al acceder a las API gráficas; el aislamiento se puede mejorar utilizando la paravirtualización.
• El rendimiento varía desde el 86% hasta tan solo el 12% del rendimiento nativo en aplicaciones que realizan un gran número de llamadas de dibujo por fotograma.
• Es necesario reenviar un gran número de puntos de entrada de la API, y la implementación parcial de los puntos de entrada puede disminuir la fidelidad.
• Las aplicaciones en máquinas virtuales pueden estar limitadas a unas pocas API disponibles.

Los hipervisores suelen usar memoria compartida entre el sistema invitado y el anfitrión para maximizar el rendimiento y minimizar la latencia. En cambio, al usar una interfaz de red (un enfoque común en la renderización distribuida ), el software de terceros puede agregar soporte para API específicas (por ejemplo, rCUDA ^{[ 8 ]} para CUDA ) o agregar soporte para API típicas (por ejemplo, VMGL ^{[ 9 ]} para OpenGL ) cuando el paquete de software del hipervisor no lo admite, aunque el retardo de red y la sobrecarga de serialización pueden superar los beneficios.

En el modo de paso directo fijo o paso directo de GPU (un caso especial del paso directo de PCI ), una única máquina virtual accede a la GPU de forma directa, exclusiva y permanente. Esta técnica alcanza entre el 96 % y el 100 % del rendimiento nativo ^{[ 3 ]} y una alta fidelidad ^{[ 1 ]} , pero la aceleración que proporciona la GPU no se puede compartir entre varias máquinas virtuales. Por lo tanto, tiene la menor tasa de consolidación y el mayor coste, ya que cada máquina virtual con aceleración gráfica requiere una GPU física adicional ^{[ 1 ] .}

Las siguientes tecnologías de software implementan el paso directo fijo:

• VMware Virtual Dedicated Graphics Acceleration (vDGA) ^{[ 10 ] [ a ]}
• Parallels Workstation Extreme ^{[ 26 ]}
• Asignación de dispositivos discretos (DDA) de Hyper-V ^{[ 27 ]}
• Transferencia de GPU de Citrix XenServer ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Xen ^{[ 30 ]} y QEMU / KVM ^{[ 30 ] [ 31 ]} con Intel GVT-d ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 31 ]}

VirtualBox eliminó la compatibilidad con el paso directo de PCI en la versión 6.1.0. ^{[ 34 ]}

En la virtualización de GPU completa o de paso de dispositivo mediado, el hardware de la GPU proporciona contextos con rangos de memoria virtual para cada invitado a través de IOMMU y el hipervisor envía comandos gráficos de los invitados directamente a la GPU. Esta técnica es una forma de virtualización asistida por hardware y logra un rendimiento casi nativo ^{[ b ]} y alta fidelidad. Si el hardware expone los contextos como dispositivos lógicos completos, los invitados pueden usar cualquier API. De lo contrario, las API y los controladores deben gestionar la complejidad adicional de los contextos de la GPU. Como desventaja, puede haber poco aislamiento entre las máquinas virtuales al acceder a los recursos de la GPU. ^{[ 1 ]}

Las siguientes tecnologías de software y hardware implementan el paso a través mediado:

• Aceleración gráfica de paso directo compartido virtual de VMware ^{[ a ]} con Nvidia vGPU ^{[ 42 ]} o AMD MxGPU ^{[ 43 ]}
• Citrix XenServer compartió GPU con Nvidia vGPU, AMD MxGPU o Intel GVT-g ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Xen ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 31 ]} y KVM ^{[ 46 ] [ 45 ]} con Intel GVT-g ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• Estación de trabajo Thincast: función 3D virtual (DirectX 12 y API Vulkan 3D)

Si bien la comunicación remota mediante API está generalmente disponible para las GPU actuales y antiguas, el paso directo mediado requiere compatibilidad de hardware disponible solo en dispositivos específicos.

Las arquitecturas de GPU son muy complejas y cambian rápidamente, y sus detalles internos a menudo se mantienen en secreto. Generalmente no es factible virtualizar completamente las nuevas generaciones de GPU, solo las generaciones más antiguas y simples. Por ejemplo, PCem , un emulador especializado de la arquitectura IBM PC , puede emular un dispositivo gráfico S3 ViRGE /DX, que admite Direct3D 3, y un 3dfx Voodoo2 , que admite Glide , entre otros. ^{[ 49 ]} Al usar un adaptador de pantalla virtual VGA o SVGA , ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} el invitado puede no tener aceleración de gráficos 3D, proporcionando solo una funcionalidad mínima para permitir el acceso a la máquina a través de una terminal gráfica. El dispositivo emulado puede exponer solo modos gráficos 2D básicos a los invitados. El administrador de la máquina virtual también puede proporcionar implementaciones de API comunes que utilizan renderizado por software para habilitar aplicaciones de gráficos 3D en el invitado, aunque a velocidades que pueden ser tan bajas como el 3 % del rendimiento nativo acelerado por hardware. ^{[ 1 ] [ 53 ]}

Las siguientes tecnologías de software implementan API gráficas mediante renderizado por software:

• Renderizador de software 3D VMware SVGA ^{[ 54 ]}
• Controlador gráfico VirtualBox VMSVGA ^{[ 51 ]}
• Acelerador de software OpenGL de Citrix XenServer ^{[ 55 ]}
• Plataforma de rasterización avanzada de Windows
• Renderizador de software OpenGL principal
• Renderizador de software Mesa
• Renderizador de software Swift Shader (implementa WebGPU )

• Comparación de software de virtualización de plataformas