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gpU，也即圖形處理單元。不論在手機中，還是在電腦、筆記本上，gpU都發(fā)揮著不可替代的作用。往期文章中，小編對gpU加速原理、gpU服務器選擇、gpU存儲性能提升等均有所介紹。為增進大家對gpU的認識，本文將對gpU的5種虛擬化技術的實現(xiàn)策略予以介紹。如果你對gpU具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、設備模擬(device emulation)

設備模擬是指通過軟件的方法來為虛擬機模擬gpU設備，這種方法的好處是虛擬機內部都可以調用gpU命令，可以完全記錄gpU設備的狀態(tài)，保證虛擬化技術的全部特性，滿足四個標準中的資源復用和支持虛擬化特性的標準。QemU 通過軟件模擬實現(xiàn)了傳統(tǒng)的VgA設備，但是該設備的性能很低，只能支持基礎的功能。軟件模擬設備的方法幾乎不會使用硬件加速，因此其實現(xiàn)的gpU性能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在虛擬機的圖形圖像處理和高性能計算的需求。而且正如前文提到的，現(xiàn)代gpU架構具有很高的復雜性，而且缺少文檔，因此很難實現(xiàn)對一個真實的物理gpU進行軟件模擬。這意味著設備模擬方法只能模擬少量的Api，只能保證少量的gpU特性提供給虛擬機。由于設備模擬的方法在性能和支持的gpU特性上和真實的gpU相差過大，設備模擬的技術已經(jīng)不再應用到gpU虛擬化技術中。

二、Api轉發(fā)(Api Forwarding)

Api轉發(fā)是指通過實現(xiàn)包裹圖形Api的庫，這些庫在虛擬機調用相關的Api時，將這些圖形Api通過遠程過程調用的方法轉發(fā)到主機上，然后調用主機上的圖形驅動提供的Api支持完成調用。通過給高層的Api實現(xiàn)包裹庫，客戶機就能支持高層的Api如cUdA。vcUdA、vgRis等虛擬化方案都是利用Api轉發(fā)的方法。這種方法的優(yōu)點是利于實現(xiàn)，而且一定程度上利用了gpU硬件實現(xiàn)加速，同時可以使多個虛擬機調用的gpU相關指令與Api在物理gpU上執(zhí)行。但是Api轉發(fā)的主要問題在于這種方法失去了語言和庫的靈活性選擇，包裹庫和支持的Api的不匹配會造成gpU虛擬化不成功。而如果在遷移的過程中，目標主機與源主機的包裹庫版本不一致，可能會造成遷移之后gpU虛擬化不成功，因此Api轉發(fā)會影響虛擬化提供的特性。

三、中介傳遞(mediated pass-through)

gpU已經(jīng)可以支持多個獨立的上下文，中介傳遞的方法使虛擬機只占用這些上下文的一個或者子集。高帶寬操作(指令緩存提交、幀緩存提交)需要使用映射到物理gpU的內存或者mmio資源，低帶寬操作(資源分配、傳統(tǒng)的特性)可能會通過使用全虛擬化的資源來實現(xiàn)。

四、直接傳遞(direct pass-through)

直接傳遞是指給一臺虛擬機使用一個物理gpU的全部訪問權限。intel提供了intel Vt-d硬件輔助技術，使研究者不需要去了解gpU的編程接口就可以直接實現(xiàn)一臺虛擬機占用物理gpU的全部訪問權限。這種方法的好處在于可以提供與真實機器相近的性能以及保真度，亞馬遜的Amazon ec2提供的gpU資源就是使用這種虛擬化策略。但是這種方法問題在于一個物理gpU只能被一臺虛擬機使用，犧牲了gpU資源在多臺機器之間共享的條件。而且虛擬化的遷移功能也會受到影響，因為不同體系架構的gpU之間可能存在不兼容。

五、全虛擬化與半虛擬化

gpU虛擬化實現(xiàn)策略按照是否需要修改客戶機操作系統(tǒng)內部的驅動代碼分為gpU全虛擬化和gpU半虛擬化。gpU全虛擬化是指實現(xiàn)在多個虛擬機之間共享gpu資源的同時不需要修改虛擬機內部的圖形驅動。gpU半虛擬化是指向虛擬機提供軟件實現(xiàn)的理想設備模型，對客戶機的圖形驅動進行底層的控制。使用gpU半虛擬化的方法，比Api轉發(fā)的性能消耗更小，但是客戶機的設備驅動必須要改寫。主流的gpU虛擬化方案gpUvm使用半虛擬化的實現(xiàn)策略對虛擬機gpU的性能有明顯的改善。

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