虚拟化相关面试题集锦（1）—— 如何在QEMU/KVM中跑通AI相关训练

接前一篇文章：虚拟化相关面试题集锦（0）—— 引言

问题1

问：如何在QEMU/KVM虚拟机上跑通AI相关模型的训练和测试，并对虚拟机的GPU资源的分配进行配置和优化？

备注：此问题是笔者年上周参加中科时代（一家有中科院背景的小公司）面试时遇到的一个问题。此问题是当时其CTO提出的。说实话，这个问题比较“冷门”。一般用QEMU/KVM，都是使用CPU，而主要的精力也是放在对CPU、内存、virtIO的研究上就可以了，如果能够研究到图形（DRM）相关的虚拟化，就已经算是比较精深了。而中科时代的这个诉求是对于GPU进行虚拟化以及在虚拟机中进行资源配置，笔者还是第一次遇到这一类诉求和问题。当时笔者也是根据自己所知道的AI相关的知识、Linux内核相关的知识，触类旁通地进行了回答，当然，肯定比较空泛。我当时大概是这样说的：就我目前的认识，首先前提是必须有一台带有GPU的物理机，在其上进行实现；然后要移植N卡（Nvidia）、A卡（AMD）或其它公司显卡对应的包，这一般是由厂家提供，移植过来就好。一切正常后，会生成相应的设备结点（如/dev/dri/card0）；之后就可以安装AI相关的集成开发环境、以及相关的数据和模型进行训练了；关于如何配置虚拟GPU的资源，可以通过QEMU的命令行参数、或者通过VirtManager利用图形界面进行分配和配置。就是当时面试的情况和状态，面试结束回来后，通过在CSDN“问答”中提问，网友给出了一些相关的回复，虽然这些回复基本上都是通过类chatGPT的工具给出的，但笔者觉得也还是挺有用的。以下就将这些回复整理结合后写在回答中。

答：

1. 解决方案

在QEMU/KVM中虚拟化GPU并运行AI训练，可以有以下解决方案：

（1）使用GPU直通(pass-through)技术

通过将物理GPU直接分配给虚拟机，可以实现Hypervisor级别的GPU虚拟化。这样，虚拟机可以完全访问GPU硬件并进行AI训练。这种方法需要确保物理机具有支持VT-d (Intel) 或 IOMMU (AMD) 技术的CPU和主板，并且需要适当的GPU驱动支持。配置方法如下：

1）配置主机的IOMMU功能并确保启用GPU直通支持；

2）在QEMU虚拟机中配置PCI Pass-through，将GPU设备分配给虚拟机；

3）在虚拟机中安装适当的GPU驱动程序。

（2）使用virtio-gpu

virtio-gpu是一种基于Para-virtualization的虚拟图形卡设备。它提供了虚拟机和宿主机之间的通信接口，允许虚拟机访问GPU功能。但由于它是基于软件实现的，并没有直接访问物理GPU硬件，所以性能可能会受到一些影响。配置方法如下：

（1）在QEMU虚拟机中启用virtio-gpu设备；

（2）在虚拟机中安装virtio-gpu驱动程序；

（3）在虚拟机中安装相应的GPU计算库和工具，如CUDA、cuDNN等。

（3）使用GPU虚拟化中间件

除了直通和软件实现的虚拟图形卡设备外，还有一些第三方的GPU虚拟化中间件可供选择，如NVIDIA的GRID Virtual GPU和AMD的MxGPU。这些中间件可以提供硬件加速的虚拟化性能，并允许多个虚拟机共享同一个物理GPU。配置方法类似于直通技术，但需要安装相应的虚拟化中间件并进行适当的配置。

注意：在实现基于GPU的虚拟化之前，需要确保你的硬件和软件环境都支持所选择的虚拟化方法。

2. 解决思路与步骤

以上面第三种解决方案为例，解决思路和对应的步骤如下：

（1）选择合适的QEMU版本和GPU模拟支持

确保选择的QEMU版本支持GPU虚拟化，并且GPU模拟支持良好。通常情况下，较新版本的QEMU会有更好的GPU虚拟化支持。

可以查看QEMU的官方文档或者社区论坛，了解最新版本的QEMU是否支持你所需要的GPU虚拟化功能。

（2）准备GPU虚拟化所需的软件和驱动

需要准备好支持GPU虚拟化的软件和驱动。这可能包括NVIDIA的GRID虚拟GPU软件、或者AMD的MxGPU软件等。

根据所选择的GPU类型，获取并安装相应的GPU虚拟化软件。例如，如果要虚拟化NVIDIA GPU，需要安装NVIDIA的GRID虚拟GPU软件。这些软件通常由GPU厂商提供，你可以从他们的官方网站上获取。

（3）配置QEMU虚拟机

配置QEMU虚拟机以支持GPU虚拟化。这可能包括修改QEMU的启动参数，指定虚拟GPU的类型和数量，以及分配足够的资源给虚拟机。

在启动QEMU虚拟机时，通过命令行参数或者配置文件来指定GPU虚拟化相关的参数。这些参数通常包括虚拟GPU的类型、数量，以及分配给虚拟机的显存大小等。

（4）安装操作系统和相关软件

在虚拟机中安装操作系统和相关软件，确保所选的操作系统版本支持GPU虚拟化，并且能够正常识别和使用虚拟GPU进行AI相关的训练任务。

安装并配置所需的AI训练框架和库，例如TensorFlow、PyTorch等。

（5）测试和优化

在完成上述步骤后，测试虚拟机是否能够正常使用GPU进行AI相关的训练任务。根据测试结果进行优化和调整，以提高虚拟机的性能和稳定性。

3. 关键步骤细节

（1）支持硬件辅助虚拟化的GPU

硬件厂商如NVIDIA和AMD提供了针对其GPU的硬件虚拟化技术，如NVIDIA的vGPU（Virtual GPU）和AMD的MxGPU。这些技术使得宿主机上的物理GPU可以被多个虚拟机共享，每个虚拟机都能得到一部分GPU资源。

官方文档：

• NVIDIA vGPU: NVIDIA vGPU Documentation
• AMD GPU Passthrough: AMD SR-IOV Documentation

（2）安装和配置设备驱动及工具

• NVIDIA GPU

对于NVIDIA GPU，使用nvidia-docker或者NVIDIA的vGPU解决方案（例如GRID或Tesla M60系列支持的vGPU技术）。在宿主机上安装NVIDIA驱动、CUDA Toolkit，并配置libvirt以启用vGPU特性。

# 安装NVIDIA驱动和相关软件包
sudo apt-get install nvidia-driver-XXX cuda-toolkit-XXX qemu-guest-agent libvirt-daemon-driver-nvram
 
# 配置QEMU虚拟机启动选项以使用vGPU
<video>
  <model type='nvidia-vgpu' vgpu_type='...' />
</video>

• AMD GPU

对于AMD GPU，利用SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）技术，确保BIOS开启该功能，然后配置虚拟机来直接映射GPU硬件。

<!-- 在libvirt的XML配置中添加AMD GPU直通 -->
<hostdev mode='subsystem' type='pci' managed='yes'>
  <source>
    <address domain='0x0000' bus='0xXX' slot='0xYY' function='0xZZ'/>
  </source>
  <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x0A' slot='0x00' function='0x0'/>
</hostdev>

（3）在虚拟机内部配置GPU驱动

对于Linux虚拟机，需要在客户机内核中启用相应的驱动模块，并安装相应显卡驱动程序，以便识别和使用分配给它的GPU资源。

（4）运行AI相关的训练任务

一旦虚拟机正确识别了GPU，就可以像在物理机上一样，在虚拟机内部安装深度学习框架（如TensorFlow、PyTorch），并配置训练脚本指向虚拟GPU进行计算加速。

此外，由于安全性和性能考量，GPU虚拟化通常需要精细的权限管理和资源调度策略，确保各虚拟机间的隔离性和公平性。