盘点来自工业界的GPU共享方案

2021 年 8 月 24 日 夕小瑶的卖萌屋

文 | 阎姝含
源 | 极市平台

进年来工业界一直孜孜不倦地寻求提升GPU利用率的方案，能被更多用户理解和使用的GPU共享走进工程师的视野中。本文将总结目前有公开PR的、来自工业界的部分GPU容器计算共享方案，看看工业界对GPU共享的定位和需求。本文将依旧着眼于unix-like os上计算容器场景的资源隔离能力，不包括win os，VM，视频，游戏相关方案。受限于笔者能力，可能出现一些错漏，希望多多指正。

首先，回顾一下GPU共享方案的分类[21]。以下类型中，仅CUDA聚合为空分，其余为时分。

阿里 cGPU

来自阿里的cGPU（container GPU）[1]是最早提出的通过内核劫持来实现容器级GPU共享的方案。cGPU实现了一个内核模块cgpu_km，该模块可以对一个物理GPU虚拟出16个虚拟GPU设备。在容器挂载设备时，修改后的container runtime将挂载虚拟GPU设备，而不是真实GPU设备。通过这种方式实现了GPU劫持。当用户程序的请求下发至内核模块cgpu_km时，模块通过修改请求及回复来限制GPU显存资源。同时，内核模块也实现了简单的算力调度，通过限制每个容器可下发kernel的时间片来隔离算力资源。可以提供公平/抢占/权重三种算力分配模式。值得注意的是，cGPU目前不能中止已经发送到GPU上的请求，因此如追求算力隔离，需要延长时间片的长度，会造成一定的算力浪费。出于某些考虑未有开源。既然是容器级的GPU共享，接入到K8s的组件是必不可少的。阿里开源了相应的device plugin[3]和调度器[2]。设计的device plugin提供的核心资源是显存，这和cGPU是一脉相承的。另外由于当前K8s支持的资源类型是一维的，而GPU共享资源是二维的。为了实现调度能力，应用了一些tricky 的技巧，也让device plugin不得不和APIServer直接通信。

腾讯 GaiaGPU

腾讯提供了一整套GPU共享解决方案GaiaGPU[4]，是完全开源的GPU共享方案，salute。GaiaGPU中的vCUDA（virtual CUDA）[5]是GPU资源限制组件，属于CUDA劫持。vCUDA通过劫持CUDA的显存申请和释放请求，为每个容器管理它的显存使用量，进而实现了显存隔离。唯一需要注意的是申请context并不通过malloc函数，因此无法知道进程在context使用了多少显存。因此vcuda每次都去向GPU查询当前的显存使用量。在算力隔离方面，使用者可以指定容器的GPU利用率。vCUDA将会监控利用率，并在超出限制利用率时做一些处理。此处可以支持硬隔离和软隔离。两者的不同点是，如果有资源空闲，软隔离允许任务超过设置，而硬隔离不允许。由于使用的是监控调节[22]的方案，因此无法在短时间内限制算力，只能保证长时间的效率公平。所以不适合推理等任务时间极短的场景。GaiaGPU也提供了Device plugin GPU manager[6]和调度器 GPU admission[7]，GPU admission既允许用户申请一张虚拟卡，也允许用户像之前一样申请一机多卡，这可能可以满足一些小型集群的需要。GPU manager除实现了device plugin该实现的，也做了很多繁杂的功能，使得apiserver的负担更重了。

腾讯 qGPU

腾讯在内核劫持类GPU共享方向上，也推出了资源隔离方案qGPU（qos GPU）[8]。从架构图中就可以看出，qGPU和同属于内核劫持方案的cGPU类似。但值得注意的是，qGPU效仿Nvidia vGPU在必要时context switch，实现了强算力隔离，这也是其名字的由来。出于某些考虑未有开源。

百度 MPS+CUDA Hook的GPU隔离方案

百度推出的GPU共享方案[9]也是一个CUDA劫持方案，通过经典CUDA劫持限制显存，在算力隔离方面使用了MPS。没有开源代码。MPS在限制算力方面，除了众所周知的错误影响问题，其实算力限制并不严格，且无法根据GPU状态灵活调节算力的限制。期待下一代方案。

在K8s接入部分，也实现了Device plugin和调度器extender，不过未开源。

爱奇艺 vGPU

爱奇艺的GPU共享方案也叫vGPU（和Nvidia的虚拟机方案vGPU重名）[10]，也是CUDA劫持方案。在显存隔离上也是使用了经典的CUDA函数劫持的方法，由于没有开源代码因此不清楚context问题是如何解决的。在算力隔离方面比较特别，和RTA2019的Fractional GPU[11][12]思想颇为近似，通过将kernel限制在某些SM上来限制使用部分算力。但这实质上是一种空分的方法，需要将上下文合并才可以实现共享GPU，因此也会有错误传播的问题，场景限制颇大。

在K8s接入部分，使用和阿里同样的方案。

第四范式 OpenAIOS vGPU

第四范式的GPU共享方案还叫vGPU[13]，也是CUDA劫持方案。由于没有开源资源隔离部分的代码，从文档中推测，其实现和GaiaGPU的vcuda较为类似：显存隔离使用的是经典CUDA劫持方法，通过预估获得context大小；使用监控隔离的方案隔离算力。同样地，方案的优缺点也和vCUDA类似。较为特别的一点是，和阿里Antman[18]相同地，第四范式vGPU通过Nvidia UVM实现了虚拟显存。不过UVM实质上是使用内存来虚拟显存，因此会消耗较大的内存，且性能会有较大下降。若要使用虚拟显存功能，还需思考程序本身占用的内存和虚拟显存的trade off。第四范式开源了device plugin[14]，使用了和nvidia device plugin中处理MIG设备一样的思路，将节点上所有虚拟GPU设备设定为同一大小。这丧失了一定的用户自由，但对大型集群来说，这样做更通用且更容易维护。同时，采用这种方案不需重新设计调度器。

AWS aws-virtual-gpu

AWS提供了一套非常简单的GPU共享方案[15]，该方案通过tensorflow框架的参数per_process_gpu_memory_fraction实现了显存隔离，通过MPS的CUDA_MPS_ACTIVE_THREAD_PERCENTAGE实现了算力的限制。方案受限于tf框架，且使用了MPS，显然是个玩具之作。在接入K8s方面，AWS开源的device-plugin[16]没有考虑资源的二维关系，实现了非常简化的资源allocate。

趋动科技 OrionX

趋动科技在AI算力资源池化解决方案OrionX中实现了GPU共享的能力[17]。在资源隔离方面，使用了CUDA劫持的方案，通过MPS以及其他方式限制算力。OrionX中也包含定制的device plugin和调度器方案，亦无开源。另，OrionX属于GPU池化类解决方案，GPU资源隔离仅为OrionX的部分能力，详细请参见评论区。

总结

通过列举上述方案，可以看出各大公司主要还是处于试验期，应用尚不成熟。在设计上，倾向于对用户更易使用的，更通用的方案，而非考虑计算任务特性进而定制适合的方案。对规模很大的云场景，面向更多类型和水平的用户，如此设计是必行之举。对于GPU共享，一些资深工程师亦有深刻意见[19][20]，讨论分析了在不同场景下技术的适用性问题。也推荐读者兼听则明。注：本文仅代表笔者的个人观点，有表述错误的可能性，请读者仅作参考。且本文不代表笔者所处的任何机构的观点。

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[1]https://www.alibabacloud.com/help/zh/doc-detail/171786.htm

[2]https://github.com/AliyunContainerService/gpushare-scheduler-extender

[3]https://github.com/AliyunContainerService/gpushare-device-plugin

[4]J. Gu, S. Song, Y. Li and H. Luo, "GaiaGPU: Sharing GPUs in Container Clouds," 2018 IEEE Intl Conf on Parallel & Distributed Processing with Applications, Ubiquitous Computing & Communications, Big Data & Cloud Computing, Social Computing & Networking, Sustainable Computing & Communications (ISPA/IUCC/BDCloud/SocialCom/SustainCom), Melbourne, Australia, 2018, pp. 469-476, doi: 10.1109/BDCloud.2018.00077.

[5]https://github.com/tkestack/vcuda-controller

[6]https://github.com/tkestack/gpu-manager

[7]https://github.com/tkestack/gpu-admission

[8]https://cloud.tencent.com/developer/article/1831090

[9]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2NDc5MDYzMA==&mid=2247488710&idx=1&sn=2424a831e01abfec4c2541faee869c90&scene=21#wechat_redirect

[10]https://xie.infoq.cn/article/eb24edc21bfda6527df8aaa31

[11]https://ieeexplore.ieee.org/document/8743200

[12]https://github.com/sakjain92/Fractional-GPUs

[13]https://zhuanlan.zhihu.com/p/391539554

[14]https://github.com/4paradigm/k8s-device-plugin

[15]https://aws.amazon.com/cn/blogs/opensource/virtual-gpu-device-plugin-for-inference-workload-in-kubernetes/

[16]https://github.com/awslabs/aws-virtual-gpu-device-plugin

[17]https://github.com/virtaitech/orion

[18]alibaba/GPU-scheduler-for-deep-learning

[19]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5ODY2MTk3Nw==&mid=2247485478&idx=1&sn=f6080430cefc3cfceada7952b5448663&chksm=fe418610c9360f06a10a7568d4ac6b9803849e6d9e6c2a248378d5c22589c0fb21826301a375&mpshare=1&scene=1&srcid=0720cxzBfdyN4xjWWkweLtYI&sharer_sharetime=1628583192078&sharer_shareid=167c4152e9744cd338d09d105c484292&version=3.1.11.90266&platform=mac#rd

[20]https://github.com/zw0610/zw0610.github.io/tree/master/notes-cn

[21]https://zhuanlan.zhihu.com/p/285994980

[22]https://zhuanlan.zhihu.com/p/368424273