通过浪潮AIStation实现细粒度高性能的GPU资源共享

作者 | 张荣国

供稿 | 浪潮

GPU（Graphics Processing Unit），即图形处理器，是一种由大量核心组成的大规模并行计算架构，专为同时处理多重任务而设计。GPU在大规模并行运算上具有巨大优势，为大数据、人工智能训练和推理任务以及图像渲染等场景提供了显著的计算性能加速支持，但在实际使用中会产生资源管理困难、利用率低等问题。AIStation是浪潮推出的一款人工智能开发平台，可实现GPU资源的精细化调度。本文将重点介绍浪潮AIStation推理平台的GPU共享技术能力和应用场景。

GPU计算资源的运维痛点

对于人工智能开发人员、AI系统研究机构或进行数字化转型的新型/传统企业来说，在使用GPU计算资源时通常会面临如下几个问题：

GPU资源管理困难。GPU相对CPU价格较贵，作为高价值硬件资源，GPU很难做到像网络、存储一样的运维、管理一体化。在实际应用环境下，经常出现多进程、多人员、多任务复用同一GPU资源的情况，长时间的资源等待严重降低了业务流程的推进效率，降低了产品迭代的速度；
GPU资源使用效率低。算力需求较小的AI服务（on-premise或cloud）通常无法满负载使用一块GPU卡，并且用户在使用GPU资源时也需要显性地区分不同型号的GPU，以适配不同架构、型号GPU的计算核心、驱动和其他版本组件，为用户带来了更高的使用门槛；
GPU资源快速申请、回收困难。在生产环境中，AI服务对GPU资源的申请与释放需要基于任务负载的使用周期，以及不同任务在波峰/波谷时对GPU资源的使用量，按照在线请求数量（QPS）进行自动扩缩容，才能够满足线上AI服务的实时高并发、低延迟的需求；

为了彻底解决上述问题，工业界已经提出了多种GPU共享方案。并且在云原生趋势下，利用云原生技术和标准Docker进行容器化部署，已经成为业内云服务对异构计算资源的通用方法。

表1 业界现有的GPU共享方案

方案	方案代表	优势	劣势
CUDA劫持	rCUDA、VCUDA等	Nvidia开源CUDA API，可以进行定制化开发；	CUDA库升级活跃，方案需要不断适配；难以覆盖所有场景，隔离不一定准确；安全性低，用户可以绕过限制；无法提供算力精准限制能力；
CUDA聚合	Nvidia MPS	多任务共享下性能最好；当资源满足时，JCT不受影响；	错误之间相互传递，生产环境、训练场景落地困难；没有显著的隔离性；无法进行二次开发；
内核劫持	cGPU等	安全性高；共享性能损耗小；固定操作系统适配工作少；	依赖操作系统型号与版本；二次开发难度高，迁移困难；
Mdev框架	Nvidia vGPU	Nvidia官方组件，可靠性高，安全性高；	不支持容器化，虚拟机上使用受限；无法动态调整资源比例；有一定的共享损耗；无法进行二次开发；
Nvidia MIG	Nvidia MIG	显存、缓存和计算核心完全隔离；	只能分成7个实例；每个实例的显存、缓存和计算核心对一些应用来说仍然过剩；

如何将多个任务同时运行在同一张GPU卡上，同时对共享资源进行严格的隔离，是业界的一个重要研究方向。此外，业内需求还包括如何在生产环境中对细粒度GPU资源（小于整卡的显存、计算核心）进行扩缩容（即多个任务运行在一张GPU中，此GPU中的任务同样需要在负载增加时，能够运行在不同的GPU卡上），以及适配多版本官方组件。上述需求不但要考虑技术方面的实现，还要根据实际生产过程中的不同类型指标进行资源的自动伸缩。针对以上亟待解决的问题，AIStation推理平台提供了稳定GPU细粒度资源的分配、调度和管理能力，为企业用户带来了高效利用GPU资源的最佳解决方案。

AIStation推理平台GPU共享功能简介

AIStation推理平台基于Kubernetes容器编排与计算资源发现、调度能力进行构建，支持容器化应用的生命周期管理和微服务架构，提供多种推理服务的发布方式和持续交付能力，简化推理服务上线流程，为用户提供稳定、快捷灵活的生产环境服务部署平台。

GPU共享系统为AIStation推理平台自研技术，针对使用GPU作为计算资源的应用提供多容器（或服务）共享同一块GPU加速卡的能力。用户可对多种架构的GPU加速卡进行细粒度的资源分配、调度，并通过计算请求量（QPS）、CPU使用率、内存使用率等指标自动进行扩缩容操作，能够保证推理服务快速响应在线请求、提升GPU资源的复用率，同时对底层第三方组件不具有任何侵入性，可将其轻松移植到不同的应用场景下。

AIStation提供以下GPU共享技术能力：

提供GPU显存的细粒度分配与调度能力；
提供GPU计算核心的细粒度分配与调度能力；
提供基于HPA的细粒度GPU资源扩缩容能力；
提供基于QPS的细粒度GPU资源扩缩容能力；
提供基于GPU共享的高可用部署能力；
提供多种型号GPU（V100、T4、A10 ~ A100、RTX2080 ~ 3090）共享能力；
极低的计算性能损耗（平均损耗低于1.3%）；

GPU显存的细粒度分配与调度能力。用户可以将多个不同类型的服务部署在同一张GPU卡上，当多个服务的所需GPU显存能够“恰好”满足单张GPU的实际显存数量，此时GPU资源的使用率可以达到100%。如图1中的Case1所示，Container1和Container3、 Container2和Container4的组合分别可以完全满足现有GPU资源的显存额度。更多的情况为，用户可以通过配置文件设定“服务所需GPU显存资源申请额度”，AIStation将组合后能够达到最大GPU利用率的服务调度到同一张GPU卡，进而提升GPU资源的使用率。

图1 不同场景下AIStation对显存的细粒度分配与调度

AIStation能够保证各服务之间的显存隔离。如图1中的Case2所示，AIStation通过后台算法计算出最优的调度策略，为预部署服务提供最小剩余资源与服务安全保障方案，在合理调度服务到不同GPU卡后，可以为其他服务提供空闲的GPU资源；对于跨节点的GPU资源，AIStation同样能提供细粒度分配与调度能力。

提供GPU计算核心的细粒度分配与调度能力。GPU计算资源包括显存（Memory）与计算核心（Kernel），当所部署的服务对计算核心使用率不高，或无需使用整卡的计算核心即能满足现有延迟要求时，AIStation可在单张GPU内对计算核心进行细粒度的划分并且兼顾GPU显存划分。如果同时设置GPU计算核心和显存的细粒度划分，以计算核心分配为主，单张卡的计算核心分配≤100%。

图2 AIStation对计算核心的细粒度分配与调度

提供基于HPA的细粒度GPU资源扩缩容能力。AIStation支持原生Kubernetes的水平自动扩缩容（Horizontal Pod Autoscaler），可基于CPU利用率、平均内存利用率等指标自动扩缩服务的副本数量。

图3 AIStation平台GPU共享系统的HPA

提供基于QPS的细粒度GPU资源扩缩容能力。AIStation支持实时服务请求流量的水平自动扩缩（Traffic Pod Autoscaler），可根据在线服务访问流量（QPS）指标自动增加或减少服务副本数量，用户可以配置上线服务的预设QPS，当服务请求大于（或小于）预设值时，后台程序会自动判断并执行扩缩容操作，在满足实例副本的资源申请配额条件下，按照细粒度的资源调度方式申请最佳的GPU资源。

图4 AIStation平台GPU共享系统的TPA

极低的计算性能损耗。AIStation平台GPU共享系统的性能损耗很小，不会对用户应用的性能产生影响。其劫持调度器采用C++编写，并且采用了Pod代理来接收用户应用的GPU内存申请和GPU时间片申请请求，Pod代理可以处理绝大多数的来自用户应用的请求，只有在用户应用需要重新申请GPU时间片时，Pod代理才需要将用户应用请求转发到劫持调度器。这样的架构设计能够避免劫持调度器过于繁忙而造成系统性能下降的问题。我们进行了如下的性能损耗测试，加速卡型号：NVIDIA GPU Tesla T4，软件：TensorFlow Benchmark，深度学习模型：ResNet50，精度：FP32， BatchSize=1、4、16，性能数据如图5所示。

图5 GPU共享与GPU直通的性能对比

GPU共享与GPU直通（应用的容器直接运行在GPU上）在不同BatchSize的情况下，性能对比如下：（1）BatchSize=1时，性能损耗约为 1.3%；（2）BatchSize=4时，性能损耗约为 0.37%；（3）BatchSize=1时，性能损耗约为 0.7%，从测试数据中，可以看出GPU共享与GPU直通的性能非常接近，几乎不受影响。

AIStation基于业务场景设计

无侵入式架构设计。AIStation具备无侵入特性。业界的一些GPU共享产品要求对用户应用、CUDA Runtime、CUDA Driver、或者NVIDIA Driver做出一定的修改，这会给很多用户带来困扰，同时会带来一些业务不稳定的问题。而AIStation不需要做上述修改，可以轻松移植到其它平台中，并且只需要YAML和Docker Images即可部署，支持开箱即用。

高可用（HA）设计。AIStation平台GPU共享系统的每个控制组件都采用高可用设计，每个主节点上面都会有一个GPU共享系统Controller模块和一个GPU共享系统Scheduler模块。在同一时间，每个模块的多个实例中只有一个是Leader，这个Leader负责本模块的业务处理，如果一些硬件问题或者网络问题导致此Leader挂掉了，那么Leader选举机制会立刻选举出新的Leader，实现了控制组件的高可用机制。

精细化监控设计。AIStation可对每个用户应用Pod的GPU利用率进行实时监控。它计算每个应用Pod的GPU利用率，然后借助TSDB（时序数据库）存储这些数据，从而实现了精细化的GPU利用率实时监控。

典型案例

某金融行业客户案例

在某金融行业客户的保险业务中，用户生产环境目前包括图像识别服务、OCR识别服务及语音识别服务，用于支撑企业内部运营管理及线上业务办理，用户希望构建统一的算法应用平台，集中管理不同ISV算法应用，提高资源利用率。

生产环境的厂商应用按裸机方式或者docker方式进行烟囱式部署管理，资源利用率较低，并且大量OCR服务在服务请求波谷时，对GPU资源依然采用整卡占用的形式，严重影响GPU资源的复用效率，导致其他服务存在大量推理计算时，需要进行人为干预，如果调峰不及时还会出现请求响应不及时、计算延迟较高、计算中断等一系列问题。