Сьогодні майже усім офісним користувачам потрібні для повсякденної роботи графічно ресурсомісткі додатки і при цьому більшість із них використовує програмне забезпечення для відеоконференцій. У світі, де все залежить від центрального процесора, VDI не міг ефективно підтримувати ці додатки, оскільки якість роботи користувачів не відповідала їхнім очікуванням. З появою віртуальних графічних прискорювачів GPU в середовищі VDI можна задіяти і використовувати навіть додатки з графічним прискоренням.

Обчислення з GPU — це варіант використання графічного процесора/прискорювача, GPU разом із центральним процесором CPU, наприклад, для прискорення глибокого навчання, аналітики, інженерних додатків, а також для використання у VDI інфраструктурах. Вперше представлені в 2007 році компанією NVIDIA, GPU-прискорювачі тепер забезпечують роботу енергоефективних центрів обробки даних у державних лабораторіях, університетах, на підприємствах і в малому та середньому бізнесі по всьому світу. Вони відіграють величезну роль у прискоренні додатків на платформах від VDI середовищ і штучного інтелекту до автомобілів, дронів і роботів. Обчислення з прискоренням на GPU переносять ресурсомісткі частини застосунку на GPU, тоді як інша частина коду, як і раніше, виконується на CPU. З точки зору звичайного користувача, застосунки просто працюють «набагато швидше».

Простий спосіб зрозуміти різницю між GPU і CPU — порівняти, як вони обробляють завдання. CPU складається з декількох ядер, оптимізованих для послідовного опрацювання даних, тоді як GPU має масивно-паралельну архітектуру, що складається з тисяч невеликих, більш ефективних ядер, призначених для одночасного опрацювання декількох завдань.

Графічні процесори мають тисячі ядер для ефективної обробки паралельних робочих навантажень.

Приклади галузевих впроваджень, що вимагають GPU прискорювачів

Додатки з GPU-прискоренням дають змогу архітекторам, інженерам і дизайнерам співпрацювати в режимі реального часу з будь-якого місця. Прикладами застосунків із GPU-прискоренням, які використовують архітектори, інженери та дизайнери є Adobe Creative Cloud, Allplan, ANSYS, Autodesk 3Ds Max, Autodesk AutoCAD, Autodesk Revit, Bentley та AECOsim.

У сфері освіти рішення VDI з GPU-прискоренням може забезпечити студентам і викладачам доступ до лабораторій і складного 3D-програмного забезпечення з будь-якого місця. Доступ до складних додатків більше не обмежений фізичним місцем розташування, що дає змогу студентам і викладачам працювати продуктивніше. Прикладами застосунків із GPU-прискоренням для освіти є Autodesk 3Ds Max, Autodesk AutoCAD, Autodesk Maya, Autodesk Revit і Dassault Systèmes SOLIDWORKs.

За допомогою VDI рішення організації, що надають фінансові послуги, можуть забезпечити користувачам доступ до додатків з високим мережевим навантаженням, які вони можуть відображати на декількох моніторах. Крім того, таким організаціям легше забезпечити суворі заходи безпеки та резервне копіювання для безперервної роботи. Bloomberg, Reuters, Eikon — це невеликий перелік компаній з цієї галузі, які користуються цими рішеннями.

Один зі способів використання VDI-рішень державними організаціями — забезпечення економічно ефективного та високоякісного навчального симулятора. Прикладами застосунків із GPU-прискоренням для урядового сектору є: Autodesk AutoCAD, Adobe Creative Cloud, ANSYS, Dassault Systèmes SOLIDWORKs, Esri ArcGIS Pro та Siemens PLM NX.

Організації охорони здоров'я можуть використовувати рішення VDI, щоб дати змогу рентгенологам, лікарям і медичним фахівцям переглядати та редагувати медичні зображення. Eclipse Medical Imaging і Picture Archiving and Communications System — лише два приклади застосунків із GPU-прискоренням, які використовують медичні працівники.

Промислові підприємства можуть скоротити цикл проєктування і прискорити вихід на ринок продуктів, використовуючи рішення VDI, яке дозволяє дизайнерам отримувати доступ до 3D-моделей. Водночас, зробивши доступ до програмного забезпечення для проєктування зручнішим для дизайнерів, ці організації можуть посилити безпеку для захисту конфіденційної інформації. Співробітники виробничих підприємств використовують додатки з GPU-прискоренням, такі як: ANSYS Fluent, ANSYS Mechanical, Autodesk AutoCAD, Autodesk 3Ds Max і Dassault Systèmes SOLIDWORKs.

Організації енергетичного сектору використовують низку застосунків із GPU-прискоренням, зокрема: Autodesk AutoCAD, ANSYS Fluent, Dassault Systèmes CATIA, Dassault Systèmes SOLIDWORKs, Esri ArcGIS, Landmark і Schlumberger Petrel. Впровадивши рішення VDI, організації можуть спростити управління цими додатками.

Як останній приклад можна навести індустрію ЗМІ та розваг, що використовує додатки з GPU-прискоренням, такі як: Adobe Creative Cloud, Autodesk 3Ds Max і Autodesk Maya. Рішення VDI, що підтримує ці додатки, дає змогу творчому персоналу і редакторам редагувати відео з будь-якого місця, що дає змогу організації легше розширювати штат співробітників. Крім того, організації можуть застосовувати більш суворі заходи безпеки, захищаючи цінні відеофайли.

Тенденції, що ведуть до використання GPU прискорювачів

Офісні працівники, які використовують додатки з GPU-прискоренням, зазвичай належать до категорії досвідчених користувачів (power users). Однак досвідчені користувачі не єдині, кому впровадження GPU можуть принести користь. Працівники розумової праці (knowledge workers) дедалі частіше користуються GPU тому, що програмне забезпечення, яке вони зазвичай використовують, пред'являє вищі вимоги до обробки даних. Візьмемо, наприклад користувацьку ОС Windows. Системні вимоги до ОС Windows 10 вищі, ніж у попередніх версій, а вимоги Windows 11 ще вищі.

Порівняно з ОС Windows 10, Windows 11 має вищі вимоги до оперативної пам'яті, дискового простору та роздільної здатності монітора, ніж її попередники. Що ще більш важливо у цьому контексті, Windows 11 висуває більш високі вимоги до центрального процесора. Якщо для Windows 10 була потрібна відеокарта з підтримкою DirectX 9, або пізнішої версії, і модель драйвера дисплея Windows WDDM 1.0, то для Windows 11 потрібно DirectX 12, або пізнішої версії, з WDDM 2.0 і вище. Зростання популярності програмного забезпечення як послуги (SaaS), наприклад Office 365/Microsoft 365, також збільшило вимоги до графічної підсистеми. Більшість співробітників проводять робочий час у застосунках, що використовують графіку і вимоги до продуктивності у віртуальному середовищі збігаються з вимогами у фізичному. Наприклад, станом на 2020 рік 65,53% віртуальних робочих столів використовували графічні додатки порівняно з 66,99% фізичних робочих столів.

Зі зростанням кількості віддалених співробітників додатки для відеоконференцій, включно з Zoom і Teams, стали найважливішими інструментами, а їхня відносна якість звуку і зображення — найважливішим фактором продуктивності. Затримки під час постійного використання застосунків для відеоконференцій призводять до розчарування користувачів, непорозуміння і зниження продуктивності. Впровадження прискорювачів GPU може поліпшити роботу користувачів з цими додатками, знімаючи навантаження з центрального процесора CPU на фізичному сервері. Тестування NVIDIA показало, що користувачі відчували більший рівень задоволеності під час розгортання VDI, коли додатки прискорювалися за допомогою GPU. NVIDIA виявила, що під час прискорення за допомогою NVIDIA GPU додатки для відеоконференцій були більш чуйними, з меншою затримкою і більш високою частотою кадрів. У результаті користувацькі можливості додатків для відеоконференцій, запущених через NVIDIA vPC з прискоренням на NVIDIA GPU, були «майже еквівалентні» можливостям на фізичному ПК.

Графічні прискорювачі NVIDIA

Компанія NVIDIA є лідером на ринку GPU для VDI, і при цьому сервери HPE підтримують широкий спектр різних сучасних графічних адаптерів NVIDIA: T4, A2, A10, A16, A30, A40, A100, L4, L40 тощо. Щоб розділити віртуальні машини (ВМ) на фізичних серверах, необхідно знати, який режим доступу до GPU підтримує віртуалізація обраного вами виробника: режим virtual GPU (vGPU), режим pass-through або обидва режими. Наприклад, Hyper-V підтримує тільки режим pass-through, тоді як рішення на Citrix і VMware підтримують обидва режими.

NVIDIA підтримує pass-through, в якому графічний драйвер NVIDIA на віртуальній машині безпосередньо взаємодіє з графічним процесором NVIDIA. У цьому режимі всі ресурси GPU передаються одній ВМ. VMware зазначає, що при використанні обох режимів найкраще використовувати окрему ВМ для кожного режиму доступу до GPU; ці ВМ можна запускати на одному або декількох фізичних серверах. У більшості випадків необхідно, щоб кілька віртуальних машин для настільних систем спільно використовували GPU, щоб один фізичний сервер міг підтримувати кілька віртуальних робочих комп'ютерів (ВРК) з GPU-прискоренням. ВМ можуть спільно використовувати GPU за допомогою технології NVIDIA GRID vGPU. Менеджер NVIDIA vGPU працює на гіпервізорі і допомагає керувати поділом фізичного GPU на кілька віртуальних vGPU, кожен з яких «відображає картинку» для однієї ВМ/ВРК на фізичному сервері. GRID vGPU використовує апаратну віртуалізацію, що означає, що кожна ВМ/ВРК може безпосередньо взаємодіяти зі своїм vGPU, як показано на малюнку вище праворуч.

Коротко про vGPU профілі

Графічний прискорювач NVIDIA надає кілька варіантів профілю vGPU, які адміністратори можуть вибрати під час налаштування параметрів GPU на обраній платформі віртуалізації. Профіль vGPU контролює, як vGPU Manager розподіляє GPU. Він визначає кількість vGPU на платі/адаптері, а також інші налаштування, наприклад розмір буфера кадрів, що виділяється кожному vGPU.

Профіль A16-8Q

Приклад, що показує як NVIDIA іменує профілі vGPU. Перша частина назви профілю відноситься до моделі GPU, в цьому прикладі NVIDIA A16. Число після дефіса вказує на буфер кадрів/фреймів у ГБ (RAM) для кожного vGPU, а остання буква вказує на серію NVIDIA, тип навантаження, що використовується.

Потрібно пам'ятати, що для кожного фізичного GPU можна призначити тільки один профіль vGPU. Профіль vGPU визначає, як ресурси GPU розподіляються між віртуальними машинами, тому логічно, що дозволено тільки один набір правил для спільного використання. На малюнку нижче зліва показано профіль vGPU A10-6Q, призначений для GPU на графічному прискорювачі NVIDIA A10, 24ГБ GDDR6. Як можна побачити, цей профіль підтримує чотири віртуальних vGPU, по одному для чотирьох ВМ; кожен віртуальний GPU має 6 ГБ RAM.

Але тим не менш, на фізичній платі/адаптері може бути більше одного GPU. Часто в розмовній мові згадується модель GPU, наприклад, NVIDIA A16 (64ГБ GDDR-6), але насправді NVIDIA A16 має чотири GPU. Якщо фізична плата/адаптер має більше одного GPU, ви можете призначити окремий профіль vGPU для кожного GPU на цій платі. У цьому прикладі кожному GPU NVIDIA A16 призначено профіль vGPU: A16-16Q, A16-8Q, A16-2Q і A16-4Q. Кожен профіль визначає максимальну кількість vGPU на GPU і максимальну кількість vGPU на плату. Наприклад, профіль A16-16Q підтримує один vGPU на GPU і до чотирьох vGPU на плату, а профіль A16-1Q - 16 vGPU на 1 GPU і до 64 vGPU на плату/адаптер. Кількість vGPU на GPU і GPU на фізичний сервер можна перемножити, щоб отримати сумарну кількість vGPU на сервер. Сервер може підтримувати й одну віртуальну машину з GPU-прискоренням на vCPU.

NVIDIA GPU, підтримувані в серверах HPE, оптимізованих для VDI

У наведеній таблиці показано типи графічних прискорювачів NVIDIA для середовищ VDI, які підтримують різні сервери HPE на момент написання статті. Можна побачити, що сервери заввишки 2U - DL380 Gen10 Plus/Gen11 і DL385 Gen10 Plus/Gen11 пропонують найбільшу гнучкість у підтримці прискорювачів NVIDIA GPU, тоді як сервери 1U DL325 і 365 Gen10 Plus/Gen11 підтримують тільки кілька типів NVIDIA GPU.

*Найбільш точний список підтримуваних GPU можна побачити в HPE Product Bulletin (QuickSpecs).

Підсумки

Сьогодні співробітники більш мобільні, ніж будь-коли. Їм необхідно працювати віддалено, з будь-якого місця і мати доступ до одного і того ж звичного робочого столу. Їм також необхідний доступ до одних і тих самих застосунків і мережевих ресурсів, незалежно від того, чи використовують вони ПК або ноутбук компанії або свій власний. При цьому управління персональними комп'ютерами вимагає від ІТ-персоналу значних ресурсів. Наприклад, ІТ-спеціалісти мають відстежувати ліцензії, слідкувати за виправленням/оновленням ОС і застосунків та оперативно реагувати у разі виникнення у користувачів якихось проблем. Але найважливішою роботою є забезпечення безпеки пристроїв, які співробітники використовують для доступу до додатків і ресурсів. Буває складно переконатися, що пристрої повністю виправлені, на них встановлено антивірусне програмне забезпечення і вони не були зламані. Зазвичай компанії використовують віртуальні приватні мережі (VPN) для забезпечення доступу до мережевих ресурсів і даних. Однак VPN можуть бути складні в реалізації та знижувати продуктивність. Для цих проблем компанії шукають рішення для настільних комп'ютерів, яке забезпечить їм більший контроль над даними, мінімізує втрату ноутбуків, що може призвести до втрати конфіденційних даних, і допоможе їм легше дотримуватися нормативних вимог. І це рішення називається VDI- Virtual Desktop Infrastructure або Інфраструктура віртуальних робочих столів. При цьому прискорення GPU необхідне для оптимізації продуктивності віртуальних робочих столів. Його здатність розвантажувати графічні завдання, покращувати мультимедійні можливості, підвищувати продуктивність, покращувати комфорт користувачів і підтримувати мультимоніторні установки робить його найважливішим компонентом сучасних середовищ VDI. Використовуючи можливості GPU, компанії можуть забезпечити безперебійну роботу, підвищити задоволеність користувачів і створити продуктивне робоче середовище.

Компанія Lantec має досвід проєктування, впровадження та подальшого супроводу подібних проєктів як у «хмарі», так і «на землі».

Автор статті - Михайло Федосєєв, архітектор інфраструктурних рішень Lantec.