大模型与AI底层技术揭秘（27）食神挑战烤肥肠

小h最近因为沉迷于学习，体重减轻了不少，小伙伴们决定带他去享受美食。

他们来到一家专门烤羊腿和肥肠的餐馆，虽然人很多，但老板娘热情地招呼他们，说里面有包间，刚好能容纳6个人。小H和朋友们进入包间就座。尽管包间只是用屏风隔开的，看起来很简单，但比大厅要好。这些小包间看起来都是独立的。

用餐过程中，他们听到外面有人在吵：

“碱水面没有经过冷水处理，所以面里全是碱水味，鱼丸也没有鱼味，但你为了掩饰特意加了咖喱汁，想把它做成咖喱鱼丸，但这么做太简单，有时甚至是天真！原本美味的咖喱鱼丸，被你做得既没有鱼味也没有咖喱味，失败！萝卜没有挑选过，筋太多，失败！猪皮煮得太烂，失败！猪血一夹就散，失败中的失败！最糟糕的是肥肠，里面根本没洗干净，还有一坨……”

“你以为这里是香港吗？我们北方人吃肥肠就讲究不洗干净，洗干净就没味道了！滚！”老板娘指着来挑衅的人骂道。

这时，外面有人因为喝多了，并且听了老板娘的话，开始呕吐（Core Dump）。

小H和朋友们看着桌上吃了一半的烤肥肠，胃里翻江倒海，然后也有人吐了。趁着混乱，他们离开了餐馆，没有付钱。

方老师听完小H的故事，先是笑了一会儿，然后问小H：

上次学的NVidia vCUDA GPU虚拟化，你还记得吗？这个方案有什么缺陷？

小H想了想，总结道：vCUDA是替换虚拟机上的CUDA，让它连接到宿主机上的vCUDA Stub，然后调用宿主机上的GPU进行计算的方案。如果使用其他API库，就无法在虚拟机上使用GPU了。

小H突然想到，如果GPU支持SRIOV技术，将PF虚拟化为多个VF并直接传递给虚拟机，是不是就可以让多个虚拟机共享GPU的计算能力了呢？

实际上，NVidia在GPU领域的竞争对手AMD（收购了ATI的GPU），就采用了基于SRIOV的GPU虚拟化方案。

如图所示，AMD的GPU本身是PCI-E SRIOV的PF（物理功能），而每个虚拟化实例是一个VF（虚拟功能），并直接传递给一个VM。

GPU的VF直接传递给VM的方式，与我们在前几期中学习的物理设备直接传递给VM实际上没有实质性差异，GuestOS看到的是经过Hypervisor调用IOMMU后映射的配置空间、Virtual BAR和DMA地址，CPU上的IOMMU和MMU会将地址翻译为物理地址，也就是让虚拟机能够操作真实的硬件。同时，VF产生的MSI中断也可以由vAPIC发送给虚拟机进行处理。

VM能够访问GPU后，就可以使用原生的CUDA应用和GPU驱动来访问VF设备，提交计算任务并在GPU中完成计算。

然而，SRIOV方式实现的GPU虚拟化有一个严重缺陷：只提供对虚拟机可见的多个设备，无法实现内部资源的隔离。也就是说，任何一个VM的CUDA程序越界访问GPU内存，都会导致其他VM的CUDA应用异常终止！

小H想到了昨晚在饭店的经历，虽然表面上自己在独立的包间用餐，但实际上并没有真正实现物理隔离。其他食客的异常操作（Core dump）导致了小H和朋友们的用餐任务异常终止（也有人Core dump了）。

看来，基于SRIOV的GPU虚拟化并不是一个好的方案。

那么，为什么网卡的SRIOV虚拟化在NFV场景中能够得到广泛应用呢？

这是因为，网卡实际上是一个无状态（stateless）的设备。网卡本身不承担计算任务，数据包的收发、关键字段的提取计算和收到的数据包分发到目标队列，实际上都是硬件定义的原子操作，不会被软件程序打断。因此，网卡的SRIOV实现实际上只是将一定数量的收发队列分配给VF。

但是GPU的复杂度远超网卡。它是一个有状态（stateful）的设备。GPU内部有各种计算单元、缓存和RAM控制器，这些部件的状态是由GPU计算指令决定的。实际上，GPU可以被认为是一个高度并行、图灵完备的向量计算机。在这样一个复杂的硬件中，实现硬件级别的虚拟化隔离，其难度甚至超过Intel在x86中引入VT-X系列特性！

因此，即使是在硬件虚拟化技术方面有深厚积累的Intel，在其GPU虚拟化路线上，也没有采用SR-IOV，而是使用了其他方案。

请看下期。