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          專家觀點
          硬科技：GPU虛擬化為何超級難搞(上)
    硬科技：GPU虛擬化為何超級難搞(上)
     by 痴漢水球
       2020.10.21 04:51PM
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       連結 https://www.cool3c.com/article/157525
      照片中跟英偉達有關，包含了英偉達、索泰GeForce GTX
    660 NVIDIA、NVIDIA GeForce GTX TITAN系列、GeForce GTX 660
    Ti、英偉達
          專家觀點
          硬科技
          CPU
          gpu
          vmware
          x86
          硬科技
    筆者很久以前用了6篇文章，簡單解釋x86電腦虛擬化的困難之處與解決方案，但留下了1個尚未完成的結尾：相較於「比較單純」的CPU，「GPU虛擬化」更是個值得大書特書的複雜議題，絕對只有站在時代浪頭的科科們才有權獨享。
    所以筆者試圖用僅僅3篇的規模，簡單解釋GPU虛擬化究竟有哪些棘手的挑戰。為了避免混淆，相關術語(Terminology)也優先採用VMware和NVIDIA的東西，畢竟十幾年的光陰過去了，在這個領域的領導者，依舊是他們2家。
    > 硬科技：為何x86的虛擬化這麼難搞(上)
    > 硬科技：為何x86的虛擬化這麼難搞(中)
    > 硬科技：為何x86的虛擬化這麼難搞(下)
    > 硬科技：x86虛擬化由內到外還是繼續難搞(上)
    > 硬科技：x86虛擬化由內到外還是繼續難搞(中)
    > 硬科技：x86虛擬化由內到外還是繼續難搞(下)
    在遙遠的20年或更早之前，就應用層面來看，顯示卡就像隻荒野孤狼，某個應用程式一旦要上下其手，如執行亟需3D運算資源的遊戲，就得全權佔有，油門踩到底，再加上過去缺乏統一的3D
    API規範與相對應的GPU指令集架構，形同作業系統眼中的化外之民。
    VMware曾在2005年4月，首度在其Workstation
    5.0加入實驗性(不保證穩定度和性能表現)3D虛擬化功能，2008年導入於Workstation
    6.5和Fusion
    2.0的SVGA，則是首次嘗試GPU共享虛擬化。後來被Oracle併購的Sun，其以功能強大又免費而著稱的VirtualBox，到了2009年6月的3.0版，才有比較像樣(但毛病還是不少)的DirectX
    8/9和OpenGL 2.0支援度。
     照片中提到了Virtual Graphics Stack、App、VMware SVGA
    Driver，包含了組織、的VMware、虛擬化、虛擬機、I /
    O虛擬化
    就算不提虛擬機，作業系統要「充分掌握」GPU也是一件難事。其實2006年底的Windows
    Vista有一件少人記得的大事：將繪圖記憶體納入分頁(Paging)管理機制。為何微軟當時要這樣做？因為導入3D化的GUI後，意味著將會有大量應用程式須同時使用顯示卡，多工作業系統絕對有直接管理顯示記憶體內容的必要性，這就是Windows
    Vista之後，華麗的Flip 3D介面的技術基礎。
    更進一步，各位科科可用力回想一件事：Windows是何時才能在工作管理員，看到GPU每個在驅動程式層面、由不同功能模組化身的不同引擎(Engine)？答案是Windows
    10秋季創作者更新1709版本，足足是Windows
    Vista上市的10年之後，還發生過使用率測不準的狀況，這也充分證明了，要讓GPU可被作業系統或虛擬機Hypervisor完全掌控，困難度究竟有多高。
    那麼，GPU虛擬化到底是哪裡難搞？原因很複雜也很簡單。
    一、不像CPU，GPU並沒有統一的指令集標準，即使單一廠商的歷代產品之間，也是天差地遠(到了AMD的GCN和NVIDIA的Fermi後，才算「勉強」大致穩定下來)，硬體規格的混亂度就更不用講了，配合持續推陳出新的3D
    API，GPU的硬體架構演進，遠比CPU迅速且激進，歷代GPU架構幾乎各自有其獨特的執行狀態格式，硬體底層的技術細節更是高度商業機密，外人難以一窺其全貌。
     照片中提到了RADEON™ ARCHITECTURAL ADVANCES、OF PROGRAMMABLE
    GRAPHICS、PRE 2000，包含了進化架構和、迪蘭恆進Radeon RX
    5700 XT、AMD Vega、Advanced Micro Devices公司、AMD公司
    也因此，套句VMware的說法，GPU的驅動程式本質上也是1套編譯器(Compiler)，管你GPU硬體採用哪種阿貓阿狗怪異指令集，將中間碼(Immediate)編譯成符合3D
    API規範的二進位執行檔即可，所以科科一定不難理解，為何指令集層面的Bug會造成CPU的大麻煩，但GPU卻有機會用驅動程式「蓋掉」的道理，你有聽說過那顆x86
    CPU需要先安裝驅動程式才能開機的嗎？
     照片中提到了Unique challenges、• API、The OpenGL
    IMachine，包含了角度、產品設計、產品、儀表、線
    順便一題，要如何「因應來自於客戶的強烈要求，開源繪圖驅動程式，並隱藏硬體架構細節」，也是擺在NVIDIA和AMD眼前的大難題。假以時日，這2間廠商的旗艦GPU都偷偷塞了顆可自我開機的ARM指令集相容處理器(筆者故意不點破，請各位科科細細思量)，也不是太讓人感到意外的發展。
    二、如同多工作業系統，高效能的虛擬化奠基於「可迅速收集系統運行狀態資訊，並高速切換執行內容」，這也是科科們應當熟悉的x86
    CPU虛擬化的基本原理：作業系統教科書絕對會提到的Context
    Switch。
    但這些年來，因水漲船高的可程式化，3D
    API與其定義的繪圖管線，複雜度也持續破表，動輒數百個程式進入點和不同的程式語言規範，加上GPU在硬體實作層面帶來的龐大運算單元規模、如紡紗機般千絲萬縷的多重執行緒、數以萬計的資料暫存器檔案，都讓GPU能像CPU一樣的「換位子馬上跟著換腦袋」成為不可能的任務。
    > 淺談GPU到底是什麼（上）：不同的運算型態
    > 淺談GPU到底是什麼（中）：兼具SIMD與MIMD優點的SIMT
    > 淺談GPU到底是什麼（下）：走向汎用化的GPGPU
    別的不提，在2008年，也就是VMware發表 ”GPU
    Virtualization on VMware’s Hosted I/O Architecture”
    一文並公佈SVGA之時，那時最具代表性的旗艦GPU是14億電晶體的NVIDIA
    GTX280(CPU則是將近3億電晶體的Intel Core 2 Duo
    “Penryn”)。
     照片中提到了How much computation?、NVIDIA GeForce GTX
    280:、1.4 billion transistors，包含了中央處理器、GeForce
    200系列、中央處理器、英偉達、圖形處理單元
    根據VMware的說法，那時的GPU硬體狀態的紀錄資訊量就是
    “GB” 等級，切換「整顆」GPU的Context
    Switch的時間成本之高，完全讓人連想都不敢想。反觀Intel的Penryn，包含全部指令集架構(如暫存器的資料)和大多數處理器微架構(像執行單元的內容)，1個CPU核心的狀態也只不過需要8kB而已，根本天差地遠。結果就是CPU的Context
    Switch或虛擬機切換，可能僅僅需要幾個ns，GPU卻是好幾百個ns甚至上看ms，這也讓虛擬GPU的調度策略，變成1個難搞的議題。
    不過俗語說的好，出來混的，總是要還，既然時下已經四處可見所謂的「雲端GPU」，這10幾年來各家廠商也是一步一腳印的見招拆拆、提出解決方案，而VMware早在2008年就確立了GPU虛擬化的技術走向，遠比很多人認知中的時間點，還要早很多年。科科。
    是科科就要追蹤 硬科技
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          NVIDIA
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     痴漢水球
     不良單身中年男子，從雜誌業逃難至產業界不知不覺已歷十多年光陰，從最沒實力技術編輯、轉型成最沒能力產品經理，仍無豐功偉業可供說嘴，反倒敗戰血淚磬竹難書，據說著作等身，現從事工業電腦產業，現在只關心何時日本旅行次數可以達陣70次。個人部落格：https://molesterwaterball.blogspot.com/
     文章共228篇

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