提升GPU利用率：探索NVIDIA的MIG與MPS虛擬化技術

作者：冬子先生 2025-05-28 01:40:00

云計算虛擬化

對于像V100這樣的GPU，有些廠商會讓多個用戶來共用一張GPU，從而降低單個用戶的費用。在共享GPU過程中，一個重要的操作就是虛擬化，但是虛擬化在安全問題、服務質量上面還有較大的進步空間。

1. 背景

目前GPU卡資源緊張且業務需求逐漸遞增，存在整卡不夠分配或GPU利用率低造成資源浪費的情況。

我們也不可否認還有非常多的應用場景對算力的需求不大，比如：

AI推理場景，基本都是在線實時計算，要求延時低，batchsize小，計算量不大。
AI開發機場景，團隊內部共享GPU，對算力要求低。

這些場景的分布非常廣泛，在這些場景下，AI應用是無法把GPU強大的計算能力全部發揮出來的。所以，長期以來，很多用戶的GPU利用率都不高，基本都只有10%-30%。

GPU的切分（虛擬化）需求基本來自于兩個方面，一個是普通消費者，二個是計算/服務中心。

對于普通消費者（用戶），希望使用到新推出的GPU特性，比如某些高性能的CUDA操作，而這些操作只有高版本的硬件SM才具備；同時，很多情況下消費者并不能用滿一整張顯卡（比如V100或者A100）的所有資源；另外“數據中心”類的GPU產品，價格都比較高（V100、A100都是wRMB為單位）。所以消費者在使用、價格方面有小資源高性能的GPU需求。

某購物平臺上面的GPU價格

對于服務廠商（比如云服務），一方面需要提供價格便宜、性能穩定的GPU給用戶使用。由于整卡的成本價格高，所以服務費用（租金）不會太低。另一個方面，大型的計算中心需要管理成千上萬的GPU，服務廠商有提升集群利用率的訴求，小規格的GPU資源能夠提升配置的細粒度，從而能夠更好的提升集群GPU利用率。

目前，對于像V100這樣的GPU，有些廠商會讓多個用戶來共用一張GPU，從而降低單個用戶的費用。在共享GPU過程中，一個重要的操作就是虛擬化，但是虛擬化在安全問題、服務質量上面還有較大的進步空間。

2. GPU Share策略方案

①MIG（MULTI-INSTANCEGPU****）

隨著AMPERE架構的發布，NVIDIA推出了劃時代的產品–A100，性能達到前所未有的高度。從性能壓榨的角度講，普通的一個AI應用要想把全部A100性能發揮出來是很難的。反過來說，大量資源沒用上，閑置就是浪費。

因此，MIG（multi-Instance GPU）就這樣應運而生了。

MIG 打破了原有 GPU 資源的分配方式，能夠基于 A100 從硬件層面把一個GPU切分成最多 7 個 GPU 實例，并且可以使每一個 GPU 實例都能夠擁有各自的 SMs 和內存系統。簡單理解就是現在可以并發的同時跑7個不同的AI應用，最大程度把強大的GPU資源全部用上。

由于是基于硬件切分的方式，MIG可以讓每個GPU實例之間的內存空間訪問互不干擾，保障每一個使用者的工作時延和吞吐量都是可預期的。

img

由于采用的是硬切分的方式，GPU實例之間的隔離度很好，但是靈活度就比較受限了。MIG的切分方式，每個GPU實例的大小只能按照固定的profile來切分：

img

這個表格清晰的展示了各種不同大小的 GPU 實例他們具備的流處理器比例、內存比例、以及可以分配的數量。

各種profile的組合方式也是非常有限的，如下圖所示：

img

②MPS（MULTI-PROCESS SERVICE ）

MPS，包含在CUDA工具包中的多進程服務。它是一組可以替換的，二進制兼容的CUDA API實現，包括3個模塊：

守護進程，用于啟動或停止MPS服務進程，同時也負責為用戶進程和服務進程之間建立連接關系
服務進程，多個用戶在單個GPU上面的共享連接，為多個用戶之間執行并發的服務
用戶運行時，集成在CUDA driver庫中，對于CUDA應用程序來說，調用過程透明

當用戶希望在多進程條件下發揮GPU的并發能力，就可以使用MPS。MPS允許多個進程共享同一個GPU context。這樣可以避免上下文切換造成的額外的開銷，以及串行化執行帶來的時間線拉長。同時，MPS還允許不同進程的kernel和memcpy操作在同一GPU上并發執行，以實現最大化GPU利用率。

具體可以用下面2個圖片對比來說明MPS的特點。

首先，在沒有開啟MPS的情況下，有兩個進程A（藍色）和B（紅色），每個進程都有自己的CUDA context。從圖中可以看到，兩個進程雖然同時被發送，但是在實際執行中是被串行執行的，兩個進程會被GPU中的時間片輪轉調度機制輪流調度進GPU進行執行。這就是執行的時間線被拉長的原因。

img

繼續往下看，如果我們開啟了MPS，同樣是啟動兩個進程A（藍色）和B（紅色），MPS服務進程會將它們兩個CUDA context融合到一個CUDA context里面。這就是最大的不同。兩個context融合到一個之后，GPU上不存在context輪轉切換，減少額外開銷；而且從時間片上來看的話，進程A和B的函數是真正的實現了并發執行的。這就是MPS帶來的好處。

img

MPS的好處是顯而易見的，可以提升GPU利用率，減少GPU上下文切換時間、減少GPU上下文存儲空間。總的來說，就是可以充分利用GPU資源。那么，這么好的技術，為什么在業界用得很少呢？

因為MPS的context融合方式會帶來一個嚴重的問題：錯誤會互相影響。一個進程錯誤退出（包括被kill），如果該進程正在執行kernel，那么和該進程共同share IPC和UVM的其他進程也會一同出錯退出。因此無法在生產場景上大規模使用。

一個節點只能指定一種GPU Share策略

GPU Share策略	說明	備注
MPS	多個進程或應用程序共享同一個GPU的資源，適用于需要并行處理大量數據或執行復雜計算任務的應用場景。	單卡均分；可指定一個節點中多少張卡進行拆分；備注：均分份數—》拆分卡數GPU：1/4 * NVIDIA Ampere A100顯存：1/4 * 24GB 或 6GB
MIG	在一個物理GPU上同時運行多個獨立的GPU實例，不會相互干擾。	支持每個卡都可以指定一種MIG策略；單卡：排序固定，最多7切分：7*14+2+14+1+1+1... NVIDIA Ampere A100（3g.40gb）

GPU卡型	MIG（僅支持A系列、H系列的卡型）
NVIDIA Ampere A800（80G）	7 * （1g.10gb）4 * （1g.20gb）3 * （2g.20gb）2 * （3g.40gb）1 * （4g.40gb）1 * （7g.80gb）1 * （1g.12gb）、1 * （2g.24gb）、1 * （3g.47gb）2 * （1g.10gb）、1 * （2g.20gb）、1 * （3g.40gb）
NVIDIA Ampere 4090（24G）	不支持
NVIDIA Ampere A100（40G）	7 * （1g.5gb）3 * （2g.10gb）2 * （3g.20gb）1* （4g.20gb）1 * （7g.40gb）
NVIDIA Ampere A30（24G）	4 * （1g.6gb）2 * （2g.12gb）1 * （4g.24gb）2 * （1g.6gb）、1 * （2g.12gb）
NVIDIA GeForce 3090	不支持

3. 實踐與測試

方案一(MPS)

源自nvidia官方開源項目 https://github.com/nvidia/k8s-device-plugin

nvidia-device-plugin 支持兩種gpu-share的方式，分別為 “時間片” 和 “mps”，二者不兼容，只能二選其一。

時間片方案：應用可以完整使用GPU內存，各應用采用時間片的方式共享GPU計算能力，各應用間內存不隔離（直接放棄這個方案）。
MPS方案：GPU卡被MPS DAEMON 托管，按照拆分SHARE的副本數，均分GPU memory，應用使用GPU memory超過均分值后 OOM，各個進程間GPU memory隔離，GPU的計算能力也按照比例拆分（還是基于時間片的）。

相對而言，MPS方案在隔離性和資源分配方面更具優勢，本次驗證主要做MPS的，沒有做時間片的。

支持的粒度：可以支持到單節點級別，只對某個節點開啟MPS或者時間片的SHARE。

啟用MPS操作

安裝nvidia-device-plugin的時候，啟用第二配置，默認配置不開啟mps或者時間片，在第二配置中啟用gpu-share。

nvidia-device-plugin 支持到具體節點開啟mps，如果某個節點需要開啟MPS，需要在節點上打對應標簽開啟。

nvidia.com/mps.capable 決定是否在節點啟用MPS, 例如：true

nvidia.com/device-plugin.config 決定當前節點使用的配置名字。例如：config1

理論上配置個數是沒限制的，單集群下，可以做多個配置，例如 nvidia-share-4，nvidia-share-2，按照不同的業務需求，對不同的節點按照不同比例拆分。

一個完整的部署編排yaml實例如下（yaml中的節點親和性和容忍，按需修改即可）：

---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/service-account.yml
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-service-account
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/configmap.yml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-configs
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin

    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
data:
  config0: |-
    version: v1

  config1: |-
    version: v1
    sharing:
      mps:
        renameByDefault: true
        resources:
        - name: nvidia.com/gpu
          replicas: 2
---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/role.yml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-role
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin

    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["nodes"]
    verbs: ["get", "list", "watch"]
---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/role-binding.yml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-role-binding
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nvidia-device-plugin-service-account
    namespace: kube-system
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nvidia-device-plugin-role
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/daemonset-device-plugin.yml
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: nvidia-device-plugin
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      labels:
        app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
      annotations:
        checksum/config: 5cae25ed78745124db43b014773455550cf9c60962da45074548790b2acb66f0
    spec:
      priorityClassName: system-node-critical
      securityContext:
        {}
      serviceAccountName: nvidia-device-plugin-service-account
      shareProcessNamespace: true
      initContainers:
      - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
        name: nvidia-device-plugin-init
        command: ["config-manager"]
        env:
        - name: ONESHOT
          value: "true"
        - name: KUBECONFIG
          value: ""
        - name: NODE_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: "spec.nodeName"
        - name: NODE_LABEL
          value: "nvidia.com/device-plugin.config"
        - name: CONFIG_FILE_SRCDIR
          value: "/available-configs"
        - name: CONFIG_FILE_DST
          value: "/config/config.yaml"
        - name: DEFAULT_CONFIG
          value: "config0"
        - name: FALLBACK_STRATEGIES
          value: "named,single"
        - name: SEND_SIGNAL
          value: "false"
        - name: SIGNAL
          value: ""
        - name: PROCESS_TO_SIGNAL
          value: ""
        volumeMounts:
          - name: available-configs
            mountPath: /available-configs
          - name: config
            mountPath: /config
      containers:
      - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
        name: nvidia-device-plugin-sidecar
        command: ["config-manager"]
        env:
        - name: ONESHOT
          value: "false"
        - name: KUBECONFIG
          value: ""
        - name: NODE_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: "spec.nodeName"
        - name: NODE_LABEL
          value: "nvidia.com/device-plugin.config"
        - name: CONFIG_FILE_SRCDIR
          value: "/available-configs"
        - name: CONFIG_FILE_DST
          value: "/config/config.yaml"
        - name: DEFAULT_CONFIG
          value: "config0"
        - name: FALLBACK_STRATEGIES
          value: "named,single"
        - name: SEND_SIGNAL
          value: "true"
        - name: SIGNAL
          value: "1" # SIGHUP
        - name: PROCESS_TO_SIGNAL
          value: "nvidia-device-plugin"
        volumeMounts:
          - name: available-configs
            mountPath: /available-configs
          - name: config
            mountPath: /config
        securityContext:
          capabilities:
            add:
              - SYS_ADMIN
      - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: nvidia-device-plugin-ctr
        command: ["nvidia-device-plugin"]
        env:
          - name: MPS_ROOT
            value: "/run/nvidia/mps"
          - name: CONFIG_FILE
            value: /config/config.yaml
          - name: NVIDIA_MIG_MONITOR_DEVICES
            value: all
          - name: NVIDIA_VISIBLE_DEVICES
            value: all
          - name: NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIES
            value: compute,utility
        securityContext:
          capabilities:
            add:
              - SYS_ADMIN
        volumeMounts:
          - name: device-plugin
            mountPath: /var/lib/kubelet/device-plugins
          # The MPS /dev/shm is needed to allow for MPS daemon health-checking.
          - name: mps-shm
            mountPath: /dev/shm
          - name: mps-root
            mountPath: /mps
          - name: cdi-root
            mountPath: /var/run/cdi
          - name: available-configs
            mountPath: /available-configs
          - name: config
            mountPath: /config
      volumes:
        - name: device-plugin
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet/device-plugins
        - name: mps-root
          hostPath:
            path: /run/nvidia/mps
            type: DirectoryOrCreate
        - name: mps-shm
          hostPath:
            path: /run/nvidia/mps/shm
        - name: cdi-root
          hostPath:
            path: /var/run/cdi
            type: DirectoryOrCreate
        - name: available-configs
          configMap:
            name: "nvidia-device-plugin-configs"
        - name: config
          emptyDir: {}
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: nvidia.com/gpu.present
                operator: In
                values:
                - "true"
      tolerations:
        - key: CriticalAddonsOnly
          operator: Exists
        - effect: NoSchedule
          key: nvidia.com/gpu
          operator: Exists
---
# Source: nvidia-device-plugin/templates/daemonset-mps-control-daemon.yml
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-mps-control-daemon
  namespace: kube-system
  labels:
    helm.sh/chart: nvidia-device-plugin-0.15.0-rc.2
    app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
    app.kubernetes.io/version: "0.15.0-rc.2"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      labels:
        app.kubernetes.io/name: nvidia-device-plugin
      annotations:
        checksum/config: 5cae25ed78745124db43b014773455550cf9c60962da45074548790b2acb66f0
    spec:
      priorityClassName: system-node-critical
      securityContext:
        {}
      serviceAccountName: nvidia-device-plugin-service-account
      shareProcessNamespace: true
      initContainers:
      - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
        name: mps-control-daemon-mounts
        command: [mps-control-daemon, mount-shm]
        securityContext:
          privileged: true
        volumeMounts:
        - name: mps-root
          mountPath: /mps
          mountPropagation: Bidirectional
      - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
        name: mps-control-daemon-init
        command: ["config-manager"]
        env:
        - name: ONESHOT
          value: "true"
        - name: KUBECONFIG
          value: ""
        - name: NODE_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: "spec.nodeName"
        - name: NODE_LABEL
          value: "nvidia.com/device-plugin.config"
        - name: CONFIG_FILE_SRCDIR
          value: "/available-configs"
        - name: CONFIG_FILE_DST
          value: "/config/config.yaml"
        - name: DEFAULT_CONFIG
          value: "config0"
        - name: FALLBACK_STRATEGIES
          value: "named,single"
        - name: SEND_SIGNAL
          value: "false"
        - name: SIGNAL
          value: ""
        - name: PROCESS_TO_SIGNAL
          value: ""
        volumeMounts:
          - name: available-configs
            mountPath: /available-configs
          - name: config
            mountPath: /config
      containers:
        # TODO: How do we synchronize the plugin and control-daemon on restart.
        - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
          name: mps-control-daemon-sidecar
          command: ["config-manager"]
          env:
          - name: ONESHOT
            value: "false"
          - name: KUBECONFIG
            value: ""
          - name: NODE_NAME
            valueFrom:
              fieldRef:
                fieldPath: "spec.nodeName"
          - name: NODE_LABEL
            value: "nvidia.com/device-plugin.config"
          - name: CONFIG_FILE_SRCDIR
            value: "/available-configs"
          - name: CONFIG_FILE_DST
            value: "/config/config.yaml"
          - name: DEFAULT_CONFIG
            value: "config0"
          - name: FALLBACK_STRATEGIES
            value: "named,single"
          - name: SEND_SIGNAL
            value: "true"
          - name: SIGNAL
            value: "1"
          - name: PROCESS_TO_SIGNAL
            value: "/usr/bin/mps-control-daemon"
          volumeMounts:
            - name: available-configs
              mountPath: /available-configs
            - name: config
              mountPath: /config
        - image: nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.17.1
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          name: mps-control-daemon-ctr
          command: [mps-control-daemon]
          env:
          - name: NODE_NAME
            valueFrom:
              fieldRef:
                apiVersion: v1
                fieldPath: spec.nodeName
          - name: CONFIG_FILE
            value: /config/config.yaml
          - name: NVIDIA_MIG_MONITOR_DEVICES
            value: all
          - name: NVIDIA_VISIBLE_DEVICES
            value: all
          - name: NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIES
            value: compute,utility
          securityContext:
            privileged: true
          volumeMounts:
          - name: mps-shm
            mountPath: /dev/shm
          - name: mps-root
            mountPath: /mps
          - name: available-configs
            mountPath: /available-configs
          - name: config
            mountPath: /config
      volumes:
      - name: mps-root
        hostPath:
          path: /run/nvidia/mps
          type: DirectoryOrCreate
      - name: mps-shm
        hostPath:
          path: /run/nvidia/mps/shm
      - name: available-configs
        configMap:
          name: "nvidia-device-plugin-configs"
      - name: config
        emptyDir: {}
      nodeSelector:
        # We only deploy this pod if the following sharing label is applied.
        nvidia.com/mps.capable: "true"
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: nvidia.com/gpu.present
                operator: In
                values:
                - "true"
      tolerations:
        - key: CriticalAddonsOnly
          operator: Exists
        - effect: NoSchedule
          key: nvidia.com/gpu
          operator: Exists

驗證

我們的測試集群只有一個節點，有8張4090卡，單卡GPU Memory為 24G。我們采用MPS方案，將卡副本SHARE為兩份，理論上集群節點上看到的 nvidia.com/gpu.shared 資源為16個，單個資源的可用GPU Memory為12G左右。

部署yaml到集群

img

部署成功，節點資源如預期，GPU卡的兩倍（因為我們之SHARE了2）。

部署一個使用shared資源的容器（它只能使用一個shared設備）

img

部署成功。

驗證GPU MEMORY

初始狀態

img

由于理論上線為12G，我們這兒創建 (1024, 1024, 1024) 類型為fp32的tensor的size為 4G

為了不超過12G，測試（1024， 1024， 1024） * 2 + （1024，1024，512）理論上不會OOM；

為了達到12G，測試（1024， 1024， 1024） * 3 就應該OOM。

(1024,1024,1024) * 2 + （1024，1024，1024）結果，如預期。

img

（1024， 1024， 1024） * 3，結果如預期。

img

性能

測試腳本

import torch
import time

# size of tensor
w = 10000000

def compute_pi(n):
    count = 0
    total =  n // w
    print(f"total is {total}")
    for idx in range(total):
        print(f"{idx}/{total}")
        x = torch.rand(w, device='cuda') * 2 - 1
        y = torch.rand(w, device='cuda') * 2 - 1
        distance = x**2 + y **2
        count += (distance <= 1).sum().item()
    return 4 * count / n

n = w * 100000
s = time.time()
pi = compute_pi(n)
e = time.time()

print(f"total {e - s}")
print(f"pi is {pi}")

測試方案：直接在主機上，在沒有開啟MPS的卡上先后進行多進程并行計算和多進程串行計算，得到計算時間。

再在mps的卡上，進行同樣的計算，對比兩種方案的計算耗時。

在測試機器上（4090顯卡）開啟mps后，同時在一個卡上執行測試腳本，分別看兩個實例同時執行腳本的耗時和單獨執行的耗時，進行對比結果。

在開啟MPS的卡上，兩個進程并行計算。

實例1，計算用時 193 秒

img

實例2，計算用時 193秒

GPU使用率，可以看到GPU開啟MPS之后是 Exclusive 模式，GPU利用率 100%

img

在開啟MPS的卡上，串行運行計算任務（就是兩個任務先后計算）

實例1，計算耗時74秒

img

實例2，計算耗時74秒

img

GPU使用率截圖

img

在沒開啟MPS的卡上，進行并行計算

實例1，用時188秒

img

實例2，用時188秒

img

串行計算，耗時71秒

結論：開啟MPS的性能影響不大，開啟后193 ，未開啟188，性能損失 = 2%

適用場景

小模型
計算量不是很大，QPS不是很高的情況下。

卡級別的MPS開啟

目前官方nvidia-device-plugin沒有支持單機上指定卡開啟mps，（場景，單機8卡，四卡開MPS，四卡獨占），源代碼中，可以看到有多種resource的支持，但是參數被屏蔽了，另外就是單配置多資源的情況下，會開啟多個mps daemon，導致nvidia-device-plugin容器不能正常運行。

針對這個問題，進行了單獨的適配，目前已經支持了卡級別MPS的開啟。需要更多大規模的測試后，再投入生產。

方案二(VGPU)

來自第四范式的vgpu方案，目前volcano（要求版本>=1.8.0）集成的也是它。 https://github.com/Project-HAMi/HAMi

其目的是為了統一算力卡的虛擬化調度，正在集成華為vNPU（這個ISSUE），值得調研和投入。

方案三（MIG)

如何管理MIG，參考了知乎(https://zhuanlan.zhihu.com/p/558046644)，其中如果關注資源利用率，可以看看 vgpu 和 mig-vgpu部分的吞吐量，性能對比部分。 MIG由gi和ci組成，gi表示gpu實例，ci表示算力單元。

拆分MIG操作流程

MIG的shell操作主要包括：查看命令、創建命令和刪除命令。MIG的操作都要用root權限，所以如果是非root用戶，操作命令要加上sudo字符，下面操作示例中默認用戶是root。首先將這些操作例出來，然后對一些創建與刪除操作進行講解。

功能	命令	說明
【開】指定某卡開啟MIG	nvidia-smi -i 0 -mig 1	-i 指定的GPU編號可以是0,1,3
【關】指定某卡關閉MIG	nvidia-smi -i 0 -mig 0
【開】全部卡的MIG使能	nvidia-smi -mig 1	1 打開； 0 關閉；
【查看】子GPU實例的profile	nvidia-smi mig -lgip	獲得子GPU可創建的情況
【查看】子GPU實例的placement	nvidia-smi mig -lgipp	獲得子GPU可以創建的位置
【查看】子GPU上CI的profile	nvidia-smi mig -lcip	添加 -gi指定特定的子GPU，如指定子GPU 2查看上面的CI實例： nvidia-smi mig -lci -gi 2
【查看】已創建的子GPU的情況	nvidia-smi mig -lgi
【創建】子GPU + 對應的CI	nvidia-smi mig -i 0 -cgi 9 -C	-i: 指定父GPU -cgi：列出需要創建的子GPU的類型格式：9 或者 3g.20gb 或者 MIG 3g.20gb -C ：連同一起創建CI
【創建】子GPU	nvidia-smi mig -i 0 -cgi 9	創建一個profile為9的GI實例： 3個計算單元 + 20gb顯存。
【創建】子GPU上面的CI	nvidia-smi mig -cci 0,1 -gi 1	-cci：創建的CI實例的編號 -gi：指定子GPU
【刪除】子GPU	nvidia-smi mig -dgi -i 0 -gi 1	-i：指定父GPU -gi：待刪除的子GPU
【刪除】子GPU上面的CI 實例	nvidia-smi mig -dci -i 0 -gi 1 -ci 0	-i：指定父GPU -gi：待操作的子GPU -ci: 待刪除的CI實例
【查看】整個MIG實例情況	nvidia-smi -L

MIG的操作順序概況為：

使能MIG -> 創建GI實例 -> 創建CI實例 -> 刪除CI實例 -> 刪除GI實例 -> 關閉MIG

img

檢查卡類型 nvidia-smi，卡要求A系列以后
針對單卡開啟MIG，nvidia-smi -i 0 -mig 1，如果出現pending的情況可能需要重啟機器。

img

查看支持的mig profile，nvidia-smi mig -i 0 -lgip

這兒我們將0號卡拆成兩個3g.40gb單元 nvidia-smi mig -i 0 -cgi 9,執行兩次，創建了兩。

查看創建結果 nvidia-smi mig -i 0 -lgi

img

查看每個GI實例支持的CI規格 nvidia-smi mig -i 0 -lcip

img

給mig實例創建 CI nvidia-smi mig -gi 0 -cci 2

img

查看最終結果 nvidia-smi

img

部署參考文檔https://docs.nvidia.com/datacenter/cloud-native/kubernetes/latest/index.html
測試部署容器

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test1
spec:
  containers:
  - image: harbor.maip.io/base/pytorch-alpaca:v3
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: test
    command:
    - /bin/bash
    - -c
    - "sleep infinity"
    resources:
      requests:
        nvidia.com/mig-3g.40gb:  1
      limits:
        nvidia.com/mig-3g.40gb:  1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test2
spec:
  containers:
  - image: harbor.maip.io/base/pytorch-alpaca:v3
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: test
    command:
    - /bin/bash
    - -c
    - "sleep infinity"
    resources:
      requests:
        nvidia.com/mig-3g.40gb:  1
      limits:
        nvidia.com/mig-3g.40gb:  1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test3
spec:
  containers:
  - image: harbor.maip.io/base/pytorch-alpaca:v3
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: test
    command:
    - /bin/bash
    - -c
    - "sleep infinity"
    resources:
      requests:
        nvidia.com/gpu:  1
      limits:
        nvidia.com/gpu:  1

看結果

img

imgimgimg

刪除mig 需要先刪除 ci 刪除ci

nvidia-smi mig -dci -i 0 -gi 1 -ci 0 刪除gi nvidia-smi mig -dgi -i 0 -gi 1

4. gpu-operator一鍵部署

GPU Operator 是 NVIDIA 提供的一個 Kubernetes Operator，它簡化了在 Kubernetes 集群中使用 GPU 的過程，通過自動化的方式處理 GPU 驅動程序安裝、NVIDIA Device Plugin、DCGM Exporter 等組件。

helm repo add nvidia https://helm.ngc.nvidia.com/nvidia
helm repo update
helm install --wait --generate-name \
     -n gpu-operator --create-namespace \
     nvidia/gpu-operator \
     # 如果已經安裝了 NVIDIA 驅動程序，可以在 GPU Operator 中禁用驅動安裝，修改values.yaml
     --set driver.enabled=false

其中mps和mig的配置，需要在values.yaml中devicePlugin和migManager新增，然后創建configmap

devicePlugin:
  enabled: true
  repository: nvcr.io/nvidia
  image: k8s-device-plugin
  version: v0.17.1
  imagePullPolicy: IfNotPresent
  env:
    - name: PASS_DEVICE_SPECS
      value: "true"
    - name: FAIL_ON_INIT_ERROR
      value: "true"
    - name: DEVICE_LIST_STRATEGY
      value: envvar
    - name: DEVICE_ID_STRATEGY
      value: uuid
    - name: NVIDIA_VISIBLE_DEVICES
      value: all
    - name: NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIES
      value: all
    - name: NODE_LABEL
      value: nvidia.com/device-plugin.config
  config:
    name: device-plugin-config
    default: default
migManager:
  enabled: true
  repository: nvcr.io/nvidia/cloud-native
  image: k8s-mig-manager
  version: v0.12.1-ubuntu20.04
  imagePullPolicy: IfNotPresent
  env:
    - name: WITH_REBOOT
      value: "false"
  config:
    default: all-disabled
    name: custom-mig-parted-config
  gpuClientsConfig:
    name: ""

測試用的device-plugin配置文件。

---
# Source: gpu-operator/templates/plugin_config.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: device-plugin-config
  namespace: gpu-operator
  labels:
    app.kubernetes.io/name: gpu-operator
    helm.sh/chart: gpu-operator-v24.3.0
    app.kubernetes.io/instance: stable
    app.kubernetes.io/version: "v24.3.0"
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
data:
  default: |-
    version: v1
    flags:
      migStrategy: none
  mig-mixed: |-
    version: v1
    flags:
      migStrategy: mixed
  mig-single: |-
    version: v1
    flags:
      migStrategy: single
  config1: |-
    flags:
      migStrategy: none
    sharing:
      mps:
        renameByDefault: true
        resources:
        - devices:
          - "0"
          - "1"
          name: nvidia.com/gpu
          replicas: 2
    version: v1

測試用的mig策略配置文件

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: custom-mig-parted-config
  namespace: gpu-operator
data:
  config.yaml: |
    version: v1
    # 針對第一個卡開啟的MIG
    mig-configs:
      custom-1:
        - devices: [0]
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.10gb": 2
            "2g.20gb": 1
            "3g.40gb": 1

      all-disabled:
        - devices: all
          mig-enabled: false

      all-enabled:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices: {}

      # A100-40GB, A800-40GB
      all-1g.5gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.5gb": 7

      all-1g.5gb.me:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.5gb+me": 1

      all-2g.10gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "2g.10gb": 3

      all-3g.20gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "3g.20gb": 2

      all-4g.20gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "4g.20gb": 1

      all-7g.40gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "7g.40gb": 1

      # H100-80GB, H800-80GB, A100-80GB, A800-80GB, A100-40GB, A800-40GB
      all-1g.10gb:
        # H100-80GB, H800-80GB, A100-80GB, A800-80GB
        - device-filter: ["0x233010DE", "0x233110DE", "0x232210DE", "0x20B210DE", "0x20B510DE", "0x20F310DE", "0x20F510DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.10gb": 7

        # A100-40GB, A800-40GB
        - device-filter: ["0x20B010DE", "0x20B110DE", "0x20F110DE", "0x20F610DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.10gb": 4

      # H100-80GB, H800-80GB, A100-80GB, A800-80GB
      all-1g.10gb.me:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.10gb+me": 1

      # H100-80GB, H800-80GB, A100-80GB, A800-80GB
      all-1g.20gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.20gb": 4

      all-2g.20gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "2g.20gb": 3

      all-3g.40gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "3g.40gb": 2

      all-4g.40gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "4g.40gb": 1

      all-7g.80gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "7g.80gb": 1

      # A30-24GB
      all-1g.6gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.6gb": 4

      all-1g.6gb.me:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.6gb+me": 1

      all-2g.12gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "2g.12gb": 2

      all-2g.12gb.me:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "2g.12gb+me": 1

      all-4g.24gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "4g.24gb": 1

      # H100 NVL, H800 NVL, GH200
      all-1g.12gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.12gb": 7

      all-1g.12gb.me:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.12gb+me": 1

      all-1g.24gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.24gb": 4

      all-2g.24gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "2g.24gb": 3

      # H100 NVL, H800 NVL
      all-3g.47gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "3g.47gb": 2

      all-4g.47gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "4g.47gb": 1

      all-7g.94gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "7g.94gb": 1

      # H100-96GB, PG506-96GB, GH200
      all-3g.48gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "3g.48gb": 2

      all-4g.48gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "4g.48gb": 1

      all-7g.96gb:
        - devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "7g.96gb": 1


      # H100-96GB, GH200, H100 NVL, H800 NVL, H100-80GB, H800-80GB, A800-40GB, A800-80GB, A100-40GB, A100-80GB, A30-24GB, PG506-96GB
      all-balanced:
        # H100 NVL, H800 NVL
        - device-filter: ["0x232110DE", "0x233A10DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.12gb": 1
            "2g.24gb": 1
            "3g.47gb": 1

        # H100-80GB, H800-80GB, A100-80GB, A800-80GB
        - device-filter: ["0x233010DE", "0x233110DE", "0x232210DE", "0x20B210DE", "0x20B510DE", "0x20F310DE", "0x20F510DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.10gb": 2
            "2g.20gb": 1
            "3g.40gb": 1

        # A100-40GB, A800-40GB
        - device-filter: ["0x20B010DE", "0x20B110DE", "0x20F110DE", "0x20F610DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.5gb": 2
            "2g.10gb": 1
            "3g.20gb": 1

        # A30-24GB
        - device-filter: "0x20B710DE"
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.6gb": 2
            "2g.12gb": 1

        # H100-96GB, PG506-96GB, GH200
        - device-filter: ["0x234210DE", "0x233D10DE", "0x20B610DE"]
          devices: all
          mig-enabled: true
          mig-devices:
            "1g.12gb": 2
            "2g.24gb": 1
            "3g.48gb": 1

部署完成之后查看服務狀態

kubectl get pod -n gpu-operator

使用打對gpu節點打標簽的方式開啟對應的share策略

操作方法：

開啟MPS策略：將節點標簽 nvidia.com/device-plugin.config 的值修改成具體的MPS策略，具體策略值必須存在配置的ConfigMap中，例如上面配置中的 config1，它表示針對兩個卡開啟的MPS。
開啟MIG策略：將節點標簽 nvidia.com/device-plugin.config 的值修改成mig-mixed策略，它表示可以允許不同規格的MIG出現在一臺機器上。然后還需要將節點標簽 nvidia.com/mig.config 的值修改成具體的mig策略配置名字。例如上面的 custom-1，它表示針對第一個卡開啟的MIG策略。
開啟之后的驗證方式參考實踐與測試

責任編輯：武曉燕來源：運維開發故事

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