新型GPU云桌面發(fā)展白皮書
本文來自“新型GPU云桌面發(fā)展白皮書（2023）”，“GPU原理及在云桌面中的應(yīng)用”。給出了 新型 GPU 云桌面的準(zhǔn)確定義，深入 分析了其相較傳統(tǒng)云桌面的核心價(jià)值，同時(shí)描繪了產(chǎn)業(yè)生態(tài)。在實(shí) 踐方面，重點(diǎn)介紹了新型 GPU 云桌面的技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)， 并梳理了教育、泛行業(yè)辦公等典型場(chǎng)景的應(yīng)用案例，通過量化數(shù)據(jù) 直觀展現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。最后，針對(duì) GPU 的發(fā)展作出總結(jié)與展望。
下載鏈接： 70份GPU技術(shù)及白皮書匯總 新型GPU云桌面發(fā)展白皮書（2023） GPU原理及在云桌面中的應(yīng)用 兆芯CPU+GPU技術(shù)路線解讀 大模型時(shí)代：智能設(shè)計(jì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)（2023） Hyperion Research：ISC23 HPC Market Update Breakfast Briefing（2023） 《Hyperion Research HPC/AI領(lǐng)域市場(chǎng)報(bào)告》 1、Hyperion Research：HPCaaS Whitepaper 2、Hyperion Research：HPC-Storage TCO-–Critical Factors Beyond per GB 3、Hyperion Research：The Economic and Societal Benefits of Linux Supercomputer 4、Hyperion Research：Supermicro-AMD in HPC Convergence Market 艾瑞咨詢：ChatGPT浪潮下，看中國(guó)大語言模型產(chǎn)業(yè)發(fā)展 從ChatGPT到RobitGPT，回答人形機(jī)器人8個(gè)問題 綠色算力白皮書（2023）云桌面是一種基于云計(jì)算的 桌面交付模式，在該模式下，通過將計(jì)算機(jī)桌面進(jìn)行虛擬化，把個(gè)人計(jì)算環(huán)境集中存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心，為用戶提供按需分配、快速交付 的桌面，用戶使用終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問該桌面。與傳統(tǒng)電腦終端相比，云桌面存在如下優(yōu)勢(shì)：
一是提升靈活性， 云桌面能夠突破地 域與終端的限制，隨時(shí)隨處接入辦公環(huán)境，滿足數(shù)字社會(huì)旺盛的混 合辦公需求；
二是保障安全性， 采用云桌面能夠?qū)⑿畔⒌娜?/span> 期流轉(zhuǎn)控制在安全范圍內(nèi)，同時(shí)人員的權(quán)限與操作將充分滿足合規(guī) 要求；
三是增強(qiáng)可維護(hù)性， 云桌面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)用的統(tǒng)一下發(fā)、更 新與管理等操作，無需頻繁維護(hù)大量終端軟硬件，顯著優(yōu)化管理效 率；
四是節(jié)約成本， 無需采購(gòu)大量計(jì)算機(jī)終端，采購(gòu)費(fèi)用大大降低， 同時(shí)借助云計(jì)算技術(shù)能夠充分統(tǒng)籌閑置資源，有效提高全局資源利用率。
一、基于 GPU 的新型云桌面概述
新型 GPU 云桌面是一種基于 GPU 虛擬化技術(shù)的云桌面，通過 將一塊物理 GPU 切分成多個(gè)虛擬 GPU ，并發(fā)服務(wù)于多路云桌面負(fù)載，相當(dāng)于讓每一路傳統(tǒng)云桌面能夠享有獨(dú)立的 GPU 。與傳統(tǒng)云桌面相比，新型 GPU 云桌面充分利用 GPU 強(qiáng)大的圖形渲染、視頻編解碼、 AI 計(jì)算等能力，性能更強(qiáng)、體驗(yàn)更佳，將全面提升用戶的工 作效率和使用體驗(yàn)。
與傳統(tǒng)的云桌面服務(wù)器相比，新型 GPU 云桌面的核心價(jià)值如下：
1 、最大化硬件效用： 帶有圖形界面的應(yīng)用程序通常需要相關(guān)圖 形處理運(yùn)算，如果沒有 GPU 來協(xié)助 CPU 執(zhí)行這些任務(wù)， CPU 會(huì)消 耗大量的計(jì)算資源導(dǎo)致系統(tǒng)變慢，響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，影響用戶體驗(yàn)。
基于同樣規(guī)格 要求的 CPU 服務(wù)器，在主流用戶體驗(yàn)基線值在 1080P 窗口分辨率 25FPS 下，新型 GPU 云桌面最大并發(fā)數(shù)可以穩(wěn)定支持 40 路，而傳統(tǒng)云桌面在各類應(yīng)用場(chǎng)景下均與新型 GPU 云桌面在最大并發(fā)支持路數(shù)上差距明顯，在滿足視頻體驗(yàn)基線的情況下，只能支持 13 路用戶。
2 、提升用戶操作體驗(yàn)： 利用 GPU 加速技術(shù)，新型 GPU 云桌面 可以支持更復(fù)雜的圖形應(yīng)用程序和 3D 模型等 , 適用范圍更廣。
3 、擴(kuò)大應(yīng)用適配范圍： 隨著技術(shù)的進(jìn)步， GPU 已成為物理機(jī) 的標(biāo)準(zhǔn)配置，眾多軟件廠商在開發(fā)時(shí)都假設(shè)硬件具有足夠的圖形支 持能力，因此編寫的軟件可以通過 GPU 并行計(jì)算能力進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)，這使得傳統(tǒng) CPU 云桌面無法較好支持現(xiàn)代軟件的運(yùn)行。
新型 GPU 云桌面的產(chǎn)業(yè)生態(tài)如下：
1 、硬件供應(yīng)商： 與傳統(tǒng)云桌面不同， GPU 作為新型 GPU 云桌 面最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，是云桌面產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵參與者。 NVIDIA 、 AMD 、摩爾線程等廠商通過提供高性能的 GPU 芯片和驅(qū)動(dòng)程序等 技術(shù)支持，為云桌面提供了強(qiáng)大的圖形性能和計(jì)算能力。
2 、虛擬化軟件提供商： 桌面虛擬化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)云桌面技術(shù)的核 心技術(shù)，它可以將用戶的桌面環(huán)境虛擬化到云端，然后通過網(wǎng)絡(luò)將虛擬桌面?zhèn)鬏數(shù)接脩艚K端。海外市場(chǎng)上主要的桌面虛擬化技術(shù)及云桌面解決方案包括： QEMU-KVM 、 VMware Horizon 、 Citrix Virtual Apps and Desktops 、 Microsoft RDS 等。
3 、云桌面解決方案提供商： 從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看，天翼云、新華三、銳捷、深信服、聯(lián)想 AIO 云 計(jì)算、庭宇科技、華云、酷棧、麒麟信安、澤塔云、首都在線、云宏、安超云等均在推出國(guó)產(chǎn)云桌面的整體解決方案。
二、基于 GPU 的新型云桌面技術(shù)方案
新型 GPU 云桌面宜滿足以下四方面的需求：
1 、圖形圖像渲染： 新型 GPU 云桌面利用 GPU 強(qiáng)大的渲染功能 可以為應(yīng)用程序提供更優(yōu)的圖形性能和更高質(zhì)量的視覺效果。在各 種專業(yè)領(lǐng)域，如教育、數(shù)字辦公等行業(yè)， GPU 也可以大大提高圖形 圖像渲染的效率和精度，從而提高工作效率和準(zhǔn)確性。
2 、智能多媒體編解碼： 新型 GPU 云桌面利用 GPU 強(qiáng)大的智能 多媒體解碼功能，可分擔(dān) CPU 密集工作，視頻解碼速度更快，用戶 在遠(yuǎn)程訪問虛擬桌面時(shí)能夠獲得與本地設(shè)備相同的視頻觀看體驗(yàn)。
3 、科學(xué)計(jì)算與物理仿真： 新型 GPU 云桌面可以提供傳統(tǒng)云桌 面無法實(shí)現(xiàn)的科學(xué)計(jì)算與物理仿真功能，并提供高質(zhì)量、流暢的物理仿真和計(jì)算體驗(yàn)，提高工作效率，同時(shí)在數(shù)據(jù)管理、分析和可視化方面也能提供更高的性能。
4 、人工智能深度學(xué)習(xí) ：由于人工智能深度學(xué)習(xí)需要高效的計(jì)算 和圖形處理能力，新型 GPU 云桌面可以利用 GPU 硬件加速技術(shù)， 提供更高效快速的計(jì)算能力。
三、新型 GPU 云桌面技術(shù)架構(gòu)解析
基于 GPU 的新型云桌面整體架構(gòu)包含以下組件：
1 、服務(wù)器： 與傳統(tǒng)云桌面不同， GPU 作為重要的算力被加入 到云桌面解決方案中，并作為整個(gè)架構(gòu)的關(guān)鍵部分，提供硬件的集 群化功能。相較于 CPU 服務(wù)器能夠提供更高性能的計(jì)算、圖形和視 頻處理能力，顯著提升云桌面的應(yīng)用性能。
2 、虛擬化層： 用于將物理硬件的算力分配給多個(gè)用戶，并確保 每個(gè)用戶都可以獨(dú)立地訪問自己的虛擬桌面。同時(shí)，通過 GPU 虛擬化技術(shù)可以將 GPU 以 1 對(duì) 1 或 1 對(duì) N 的方式分配給不同的節(jié)點(diǎn)， 以服務(wù)于不同的終端。達(dá)到服務(wù)器支持多路并行的計(jì)算能力。
3 、連接層： 連接層是介于客戶端和服務(wù)器之間的中間件，負(fù)責(zé) 建立雙方之間的通信連接，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头侄ㄐ浴?/span>
4 、客戶端： 客戶端是運(yùn)行在用戶設(shè)備上的軟件，用于連接到遠(yuǎn) 程虛擬桌面。
虛擬化是新型 GPU 云桌面的基礎(chǔ)，物理 GPU 只有具備虛擬化 功能才能滿足數(shù)據(jù)中心的需求。虛擬 GPU 功能與物理 GPU 設(shè)備形 態(tài)上完全一致，向上可以支持虛擬機(jī)中的業(yè)務(wù)運(yùn)行。虛擬化系統(tǒng)的架構(gòu)圖如下所示：
GPU 虛擬機(jī)化主要由五部分構(gòu)成：物理 GPU 設(shè)備、虛擬 GPU 設(shè)備、 GPU 驅(qū)動(dòng)（ GPU Host 驅(qū)動(dòng)和 GPU Guest 驅(qū)動(dòng)）、 GPU 管理 工具和屏幕抓取與編碼一體開發(fā)接口。
在帶有物理 GPU 的服務(wù)器上，通過 GPU 驅(qū)動(dòng)程序和 GPU 管理 工 具 將 物 理 GPU 虛 擬 化 ， 以 PCIe 方式添加至虛 擬機(jī)中。在虛擬機(jī)中，配合 GPU 驅(qū)動(dòng)程序使主流操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟 件對(duì)虛擬化無感知，與物理機(jī)使用體驗(yàn)一致。
四、新型 GPU 云桌面關(guān)鍵技術(shù)研究
新型 GPU 云桌面的關(guān)鍵技術(shù)包括 GPU 虛擬化、 GPU 靈活切分、 GPU 動(dòng)態(tài)彈性切分、遠(yuǎn)程協(xié)議加速、渲染加速五部分。
1 、 GPU 虛擬化
GPU 虛擬化技術(shù)即允許多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例共享同一個(gè)物理 GPU 設(shè)備。通過將 GPU 資源邏輯地劃分為多個(gè)可供不同虛擬機(jī)客戶使用的 GPU 資源池，以滿足更多用戶同時(shí)訪問 GPU 資源并共享 GPU 加 速的能力。
2 、靈活切分技術(shù)
傳統(tǒng)的 GPU 虛擬化技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)對(duì) GPU 資源的均分，這對(duì)于 使用 vGPU 的虛擬機(jī)來說性能需要保持一致，在一些應(yīng)用場(chǎng)景下不 能滿足虛擬機(jī)靈活分配的需求。相比而言，靈活切分技術(shù)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景支持更加友好。
3 、 GPU 動(dòng)態(tài)彈性切分
GPU 動(dòng)態(tài)彈性切分是一種云計(jì)算資源管理和調(diào)度技術(shù)，可以根 據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求隨時(shí)申請(qǐng)、分配、釋放 vGPU 資源，以滿足不同規(guī) 模、不同時(shí)段的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)資源按需調(diào)用、彈性分配。
4 、遠(yuǎn)程協(xié)議
通過遠(yuǎn)程協(xié)議技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)云端桌面的訪問和控制，與傳統(tǒng)桌面 相比新型 GPU 云桌面可以利用 GPU 編碼功能對(duì)協(xié)議進(jìn)行流化，以提高圖像傳輸速度和質(zhì)量。 GPU 可為云桌面提供多路視頻編碼能力，幫助加速云桌面協(xié)議提供多路實(shí)時(shí)視頻低延時(shí)交流的體驗(yàn)。 GPU 在編碼性能方面是 CPU 的 10 倍，使得新型 GPU 云桌面能夠提供足夠 的編碼算力以支持協(xié)議流化的需求。
5 、渲染加速
相比于 CPU ， GPU 更適合處理 2D/3D 圖形計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)的圖形 化應(yīng)用通常使用 DirectX/OpenGL/Vulkan 等圖形 API 開發(fā)， GPU 可以從硬件層面針對(duì)這些圖形 API 開發(fā)的 2D/3D 圖形應(yīng)用進(jìn)行加速， 快速地進(jìn)行渲染處理，同時(shí)也能夠處理大規(guī)模場(chǎng)景、大量多邊形、 復(fù)雜材質(zhì)和紋理等高強(qiáng)度的 3D 渲染任務(wù)，其渲染速度遠(yuǎn)超 CPU 。 下載鏈接： 70份GPU技術(shù)及白皮書匯總 新型GPU云桌面發(fā)展白皮書（2023） GPU原理及在云桌面中的應(yīng)用 兆芯CPU+GPU技術(shù)路線解讀 大模型時(shí)代：智能設(shè)計(jì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)（2023） 綠色算力白皮書（2023）算力鑄就大模型：超算、智算及數(shù)據(jù)中心行業(yè)報(bào)告（2023）
2021 HPC市場(chǎng)份額Update剖析（附報(bào)告） HPDA/AI市場(chǎng)表現(xiàn)Update淺析（附報(bào)告） HPC市場(chǎng)份額剖析和全球超算計(jì)劃（附報(bào)告）Hyperion Research：SC22 HPC Market Update(2022.11)
Hyperion Research：ISC22 Market Update（2022.5）
Intersect360全球HPC-AI市場(chǎng)報(bào)告（2022—2026）
Intersect360 AMD CPU和GPU調(diào)研白皮書
ARM CPU處理器資料匯總（1） ARM CPU處理器資料匯總（2） ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊(cè) CPU和GPU研究框架合集 虛擬人應(yīng)用與實(shí)踐報(bào)告（2022） 2022中國(guó)商用服務(wù)機(jī)器人行業(yè)簡(jiǎn)析 CAD行業(yè)簡(jiǎn)析報(bào)告（2022） 半導(dǎo)體先進(jìn)封裝市場(chǎng)簡(jiǎn)析（2022） 282份重磅ChatGPT專業(yè)報(bào)告 《70+篇半導(dǎo)體行業(yè)“研究框架”合集》 《42份智能網(wǎng)卡和DPU合集》本號(hào)資料全部上傳至知識(shí)星球，更多內(nèi)容請(qǐng)登錄智能計(jì)算芯知識(shí)（知識(shí)星球）星球下載全部資料。
免責(zé)申明： 本號(hào)聚焦相關(guān)技術(shù)分享，內(nèi)容觀點(diǎn)不代表本號(hào)立場(chǎng)，可追溯內(nèi)容均注明來源，發(fā)布文章若存在版權(quán)等問題，請(qǐng)留言聯(lián)系刪除，謝謝。
溫馨提示：
請(qǐng)搜索“AI_Architect”或“掃碼”關(guān)注公眾號(hào)實(shí)時(shí)掌握深度技術(shù)分享，點(diǎn)擊“閱讀原文”獲取更多原創(chuàng)技術(shù)干貨。
