云桌面GPU技术分析与应用

　　云计算技术的发展，带给教育、医疗、政府、企业办公等领域的影响与变革正在不断加速。云桌面是云计算的典型应用，在日常办公上，它完全可以代替普通PC电脑，并具有很多独特的优势。

　　云桌面技术随着虚拟化技术的发展而不断成熟。当前CPU、内存、存储、IO设备的虚拟化技术已经成熟，可以实现多个虚拟机实例共享同一硬件资源。但是，GPU的虚拟化是急需解决的技术难题。GPU在图形图像处理、游戏、视频会议、高性能计算等方面是不可缺少的核心部件，缺了GPU，很多应用都运行不起来。在虚拟化技术中，QEMU（注：一款开源模拟器）对GPU虚拟的支持，很长时间都是纯粹的软件模拟，而没有充分利用硬件GPU的资源，性能大打折扣。

　　当前主流的GPU厂家如Nvidia、AMD、Intel都发布了自己的GPU虚拟化的技术路线，为硬件GPU虚拟化提供了技术支持，也使得云桌面引入硬件GPU虚拟化成为可能。

当前主流的GPU虚拟化技术

　　GPU虚拟化技术的发展，经历了从软件共享GPU到GPU透传，再到硬件GPU虚拟化的演进。软件共享GPU能够共享给多个虚机使用，但是存在兼容性与性能的问题；GPU透传性能佳，但是只能虚机独占使用；硬件GPU虚拟化在共享与性能方面做到了两者兼顾。

软件共享GPU

　　软件共享GPU技术在虚拟机中配备一个特殊的虚拟显卡，该显卡的驱动能够支持特定的标准显卡硬件加速协议（比如DirectX）。虚拟机中运行的操作系统对该虚拟显卡发出硬件加速指令后，Hypervisor将该指令进行转化并运行于物理GPU上。硬件加速协议返回的数据同样由Hypervisor进行转化并传输给虚拟机中运行的虚拟显卡。该技术的出现使得虚拟机能够利用上物理GPU的硬件加速能力，并能够支持传统虚拟显卡无法运行的3D软件。软件共享GPU技术的核心缺陷在于需要对硬件加速协议在虚拟机和物理GPU之间进行转化。这种转化造成了协议兼容性和性能两方面的问题。

GPU透传

　　GPU透传技术是一种让虚拟机直接访问非虚拟化的普通物理GPU的技术。该技术将物理GPU设备1:1地映射到虚拟机中，给虚拟机呈现一个在功能和性能上都和物理GPU一致的设备。由于对物理GPU无虚拟化功能的要求，普通显卡也能应用。但是该技术要求每个虚拟机都配备一个物理GPU，对于服务器的硬件支持有较高要求。

硬件GPU虚拟化

　　Nvidia、AMD、Intel都推出了基于硬件实现的GPU虚拟化技术的产品。这种技术使用特殊的GPU芯片并配合Hypervisor让虚拟机能够直接使用GPU的硬件加速功能。与软件共享GPU技术相比，该技术不需要对硬件加速协议进行转换，虚拟机直接与虚拟GPU通信，因此其协议兼容性和性能都有大幅度的提高。

　　●　Nvidia：Nvidia推出的基于Tesla架构的M60显卡，最多可以虚拟化出32个vGPU，支持32个用户同时使用。M60显卡可以虚拟出不同规格的vGPU，满足不同场景、不同负载的需求，这是比较突出的特色功能。值得一提的是，Nvidia M60显卡除了硬件购买成本，每年还需要收取一定的授权费用。

　　●　AMD：AMD在硬件GPU虚拟化上推出的产品是Firepro S7150/S7150X2。AMD S7150X2最大可以虚拟32个MxGPU，能够允许32个虚拟桌面同时使用显卡。AMD的GPU虚拟化解决方案完全基于业界标准的SR-IOV（单根输入输出虚拟化）标准，提供一致的、可预测的性能。SR-IOV标准允许一个GPU给多个虚拟机共享使用，每个用户均可获得相同的GPU访问权，而没有一个用户会占据整个GPU而影响其他用户的系统响应。

　　●　Intel：Intel在某些CPU型号中提供了集成显卡的虚拟化，如E3-1585v5 CPU，它集成了Intel Iris Pro Graphices P580显卡，可以实现最大7个虚拟GPU，分配给7个桌面使用。它的技术方案是GVT-g，针对KVM虚拟化叫做KVMGT，它实质上是针对显卡的分时复用，单个虚机的负载会影响其他虚机的使用。

云桌面GPU应用场景分析

　　云桌面用户对GPU的需求，可以根据其使用目的分类为轻度使用者、中度使用者、重度使用者（见图1）。

　　●　轻度使用者：此类用户一般使用云桌面来办公，使用办公软件如Office Word、Excel就可以完成任务，或者是在网上处理工作业务流程，能够访问网页就可以满足其需求。针对这种使用场景，不需要配置硬件GPU，软件模拟GPU就可以满足需求。

　　●　中度使用者：此类用户除了办公应用之外，有额外的图像处理需求，如玩游戏、看视频、简单的图形设计软件如AutoCAD、3DMax。这类用户有一定的GPU需求，但性能要求不高，提供硬件GPU加速就可以满足其需求。对这类使用场景，软件模拟GPU效果不好，需要采用硬件GPU虚拟化的方案。

　　●　重度使用者：此类用户一般是专业设计人员，如媒体行业的非线性编辑人员，或者某种专业设计软件的深度使用人员，如CATIA。这种使用场景，对GPU性能的要求非常高，一般配置专业级的图形显卡适配他们的工作需求。针对这种场景，共享式的硬件GPU虚拟化方式可能在性能上不能满足其需求，而采用GPU透传方式，将专业显卡透传给虚机独占使用，可以最大限度的发挥显卡的性能，这种方式适合他们的需求。

中兴通讯云桌面GPU技术方案

　　中兴通讯作为云桌面行业领先者，是国内为数不多坚持自主研发云桌面系统的厂家，目前可提供基于GPU显卡透传及显卡虚拟化等技术的全套GPU虚拟化方案。

　　●　GPU透传桌面。在基于KVM的虚拟化技术上，研发PCI Passthrough技术，将其集成到桌面产品方案中，从而实现硬件GPU的透传；针对远程桌面协议进行优化，适配硬件GPU透传后的图形质量的提升，提供图像质量更好、运行更流畅的桌面体验；配合使用GPU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；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。

　　●　硬件GPU虚拟化桌面。基于KVM的虚拟化技术，集成SR-IOV及PCI Passthrough技术，实现对GPU显卡虚拟化的支持。

　　GPU虚拟化技术在不断完善与发展，将其集成到云桌面，完善了云桌面的功能，拓展了云桌面的应用范围。有了GPU虚拟化技术，云桌面革命将辐射到各行各业。