Condividere le GPU con più carichi di lavoro utilizzando NVIDIA MPS

Questa pagina mostra come utilizzare CUDA Multi-Process Service (MPS) per consentire a più caricamenti di lavoro di condividere un singolo acceleratore hardware GPU NVIDIA nei nodi Google Kubernetes Engine (GKE).

Panoramica

NVIDIA MPS è una soluzione di condivisione della GPU che consente a più container di condividere un singolo hardware GPU NVIDIA fisico collegato a un nodo.

NVIDIA MPS si basa sul servizio multi-processo di NVIDIA su CUDA. NVIDIA MPS è un'implementazione alternativa e compatibile con i binari dell'API CUDA progettata per consentire in modo trasparente l'esecuzione in contemporanea su un singolo dispositivo GPU di applicazioni CUDA cooperative con più processi.

Con NVIDIA MPS, puoi specificare il numero massimo di container condivisi di una GPU fisica. Questo valore determina la potenza della GPU fisica assegnata a ciascun contenitore in termini delle seguenti caratteristiche:

Per scoprire di più su come le GPU pianificate con NVIDIA MPS, quando utilizzare CUDA MPS, consulta Informazioni sulle soluzioni di condivisione della GPU in GKE.

Chi dovrebbe utilizzare questa guida

Le istruzioni riportate in questa sezione si applicano se sei:

  • Amministratore della piattaforma: crea e gestisce un cluster GKE, pianifica i requisiti di risorse e infrastruttura e monitora le prestazioni del cluster.
  • Sviluppatore di applicazioni: progetta ed esegue il deployment dei carichi di lavoro sui cluster GKE. Per istruzioni su come richiedere NVIDIA MPS con GPU, consulta Eseguire il deployment di carichi di lavoro che utilizzano NVIDIA MPS con GPU.

Requisiti

  • Versione GKE: puoi abilitare la condivisione della GPU con NVIDIA MPS nei cluster GKE Standard che eseguono la versione GKE 1.27.7-gke.1088000 e successive.
  • Tipo di GPU: puoi attivare NVIDIA MPS per tutti i tipi di GPU NVIDIA Tesla®.

Prima di iniziare

Prima di iniziare, assicurati di aver eseguito le seguenti operazioni:

  • Attiva l'API Google Kubernetes Engine.
    • Attiva l'API Google Kubernetes Engine
  • Se vuoi utilizzare Google Cloud CLI per questa attività, installa e poi inizializza gcloud CLI. Se hai già installato gcloud CLI, ottieni la versione più recente eseguendo gcloud components update.

Attivare NVIDIA MPS con GPU sui cluster GKE

In qualità di amministratore della piattaforma, devi attivare NVIDIA MPS con GPU su un cluster GKE Standard. In seguito, gli sviluppatori di applicazioni possono eseguire il deployment dei carichi di lavoro per utilizzare NVIDIA MPS con le GPU. Per abilitare NVIDIA MPS con GPU su GKE, procedi nel seguente modo:

  1. Abilita NVIDIA MPS con GPU su un nuovo cluster GKE.
  2. Installa i driver di dispositivo GPU NVIDIA (se necessario).
  3. Verifica le risorse GPU disponibili sui tuoi nodi.

Attivare NVIDIA MPS con GPU su un cluster GKE

Puoi abilitare NVIDIA MPS con GPU quando crei i cluster GKE standard. La funzionalità è attivata nel pool di nodi predefinito del cluster. Devi comunque attivare NVIDIA MPS con le GPU quando crei manualmente nuovi node pool nel cluster.

Crea un cluster con NVIDIA MPS abilitato utilizzando Google Cloud CLI:

gcloud container clusters create CLUSTER_NAME \
    --region=COMPUTE_REGION \
    --cluster-version=CLUSTER_VERSION \
    --machine-type=MACHINE_TYPE \
    --accelerator=type=GPU_TYPE,count=GPU_QUANTITY,gpu-sharing-strategy=mps,max-shared-clients-per-gpu=CLIENTS_PER_GPU,gpu-driver-version=DRIVER_VERSION

Sostituisci quanto segue:

  • CLUSTER_NAME: il nome del nuovo cluster.
  • COMPUTE_REGION: la regione Compute Engine per il nuovo cluster. Per i cluster zonali, specifica --zone=COMPUTE_ZONE. Il tipo di GPU che utilizzi deve essere disponibile nella zona selezionata.
  • CLUSTER_VERSION: la versione GKE per il piano di controllo e i nodi del cluster. Utilizza GKE 1.27.7-gke.1088000 o versioni successive. In alternativa, specifica un canale di release con la versione GKE utilizzando il --release-channel=RELEASE_CHANNEL flag.
  • MACHINE_TYPE: il tipo di macchina Compute Engine per i tuoi nodi.
  • GPU_TYPE: il tipo di GPU, che deve essere una piattaforma GPU NVIDIA Tesla come nvidia-tesla-v100.
  • GPU_QUANTITY: il numero di GPU fisiche da collegare a ogni nodo nel pool di nodi predefinito.
  • CLIENTS_PER_GPU: il numero massimo di contenitori che possono condividere ogni GPU fisica.
  • DRIVER_VERSION: la versione del driver NVIDIA da installare. Può essere uno dei seguenti:
    • default: installa la versione predefinita del driver per la tua versione GKE.
    • latest: installa la versione più recente del driver disponibile per la tua versione GKE. Disponibile solo per i nodi che utilizzano Container-Optimized OS.
    • disabled: salta l'installazione automatica del driver. Devi installare manualmente un driver dopo aver creato il pool di nodi. Se ometti gpu-driver-version, questa è l'opzione predefinita.

Attivare NVIDIA MPS con GPU in un nuovo pool di nodi

Puoi attivare NVIDIA MPS con GPU quando crei manualmente nuovi pool di nodi in un cluster GKE. Crea un pool di nodi con NVIDIA MPS abilitato utilizzando Google Cloud CLI:

gcloud container node-pools create NODEPOOL_NAME \
    --cluster=CLUSTER_NAME \
    --machine-type=MACHINE_TYPE \
    --region=COMPUTE_REGION \
    --accelerator=type=GPU_TYPE,count=GPU_QUANTITY,gpu-sharing-strategy=mps,max-shared-clients-per-gpu=CONTAINER_PER_GPU,gpu-driver-version=DRIVER_VERSION

Sostituisci quanto segue:

  • NODEPOOL_NAME: il nome del nuovo pool di nodi.
  • CLUSTER_NAME: il nome del cluster, che deve eseguire GKE 1.27.7-gke.1088000 o versioni successive.
  • COMPUTE_REGION: la regione Compute Engine del cluster. Per i cluster di zona, specifica --zone=COMPUTE_ZONE.
  • MACHINE_TYPE: il tipo di macchina Compute Engine per i tuoi nodi. Per le GPU A100, utilizza un tipo di macchina A2. Per tutte le altre GPU, utilizza un tipo di macchina N1.
  • GPU_TYPE: il tipo di GPU, che deve essere una piattaforma GPU NVIDIA Tesla come nvidia-tesla-v100.
  • GPU_QUANTITY: il numero di GPU fisiche da collegare a ogni nodo del pool di nodi.
  • CONTAINER_PER_GPU: il numero massimo di contenitori che possono condividere ogni GPU fisica.

  • DRIVER_VERSION: la versione del driver NVIDIA da installare. Può corrispondere a uno dei seguenti:

    • default: installa la versione predefinita del driver per la tua versione GKE.
    • latest: installa la versione più recente del driver disponibile per la tua versione GKE. Disponibile solo per i nodi che utilizzano Container-Optimized OS.
    • disabled: salta l'installazione automatica del driver. Devi installare manualmente un driver dopo aver creato il pool di nodi. Se ometti gpu-driver-version, questa è l'opzione predefinita.

Installa i driver di dispositivo GPU NVIDIA

Se hai scelto di disattivare l'installazione automatica dei driver durante la creazione del cluster o se utilizzi una versione di GKE precedente alla 1.27.2-gke.1200, devi installare manualmente un driver NVIDIA compatibile per gestire la suddivisione MPS di NVIDIA delle GPU fisiche. Per installare i driver, implementa un DaemonSet di installazione GKE che li configura.

Per le istruzioni, consulta Installazione dei driver di dispositivo GPU NVIDIA.

Verifica le risorse GPU disponibili

Puoi verificare che il numero di GPU nei nodi corrisponda a quello specificato quando hai attivato NVIDIA MPS. Puoi anche verificare che il daemon di controllo MPS di NVIDIA sia in esecuzione.

Verifica le risorse GPU disponibili sui tuoi nodi

Per verificare le risorse GPU disponibili sui tuoi nodi, esegui il seguente comando:

kubectl describe nodes NODE_NAME

Sostituisci NODE_NAME con il nome del tuo nodo.

L'output è simile al seguente:

...
Capacity:
  ...
  nvidia.com/gpu:             3
Allocatable:
  ...
  nvidia.com/gpu:             3

In questo output, il numero di risorse GPU sul nodo è 3 a causa dei seguenti valori:

  • Il valore in max-shared-clients-per-gpu è 3.
  • Il count di GPU fisiche da collegare al nodo è 1. Se il count di GPU fisiche fosse 2, l'output mostrerebbe 6 risorse GPU allocabili, tre su ogni GPU fisica.

Verifica che il daemon di controllo MPS sia in esecuzione

Il plug-in del dispositivo GPU esegue un controllo di integrità sul daemon di controllo MPS. Quando il daemon di controllo MPS è integro, puoi eseguire il deployment di un contenitore.

Per verificare lo stato dell'MPS, esegui il seguente comando:

kubectl logs -l k8s-app=nvidia-gpu-device-plugin -n kube-system --tail=100 | grep MPS

L'output è simile al seguente:

I1118 08:08:41.732875       1 nvidia_gpu.go:75] device-plugin started
...
I1110 18:57:54.224832       1 manager.go:285] MPS is healthy, active thread percentage = 100.0
...

Nell'output potresti vedere che si sono verificati i seguenti eventi:

  • L'errore failed to start GPU device manager precede l'errore MPS is healthy. Questo errore è temporaneo. Se visualizzi il messaggio MPS is healthy, significa che il demone di controllo è in esecuzione.
  • Il messaggio active thread percentage = 100.0 indica che l'intera risorsa GPU fisica ha un thread completamente attivo.

Esegui il deployment di carichi di lavoro che utilizzano MPS

In qualità di operatore di applicazioni che esegue il deployment di carichi di lavoro GPU, puoi chiedere a GKE di condividere unità di condivisione MPS nella stessa GPU fisica. Nel seguente manifest, richiedi una GPU fisica e imposta max-shared-clients-per-gpu=3. La GPU fisica riceve tre unità di condivisione MPS e avvia un job nvidia/samples:nbody con tre pod (container) in esecuzione in parallelo.

  1. Salva il manifest come gpu-mps.yaml:

      apiVersion: batch/v1
  kind: Job
  metadata:
    name: nbody-sample
  spec:
    completions: 3
    parallelism: 3
    template:
      spec:
        hostIPC: true
        nodeSelector:
          cloud.google.com/gke-gpu-sharing-strategy: mps
        containers:
          - name: nbody-sample
            image: nvidia/samples:nbody
            command: ["/tmp/nbody"]
            args: ["-benchmark", "-i=5000"]
            resources:
              limits:
                nvidia.com/gpu: 1
        restartPolicy: "Never"
    backoffLimit: 1

    In questo manifest:

    • hostIPC: true consente ai pod di comunicare con il demone di controllo MPS. È obbligatorio. Tuttavia, tieni presente che la configurazione hostIPC: true consente al contenitore di accedere alla risorsa host, il che comporta rischi per la sicurezza.
    • 5000 iterazioni vengono eseguite in modalità benchmark.

  2. Applica il manifest:

    kubectl apply -f gpu-mps.yaml

  3. Verifica che tutti i pod siano in esecuzione:

    kubectl get pods

    L'output è simile al seguente:

    NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nbody-sample-6948ff4484-54p6q   1/1     Running   0          2m6s
nbody-sample-6948ff4484-5qs6n   1/1     Running   0          2m6s
nbody-sample-6948ff4484-5zpdc   1/1     Running   0          2m5s

  4. Controlla i log dei pod per verificare il completamento del job:

    kubectl logs -l job-name=nbody-sample -f

    L'output è simile al seguente:

    ...
> Compute 8.9 CUDA device: [NVIDIA L4]
18432 bodies, total time for 5000 iterations: 9907.976 ms
= 171.447 billion interactions per second
= 3428.941 single-precision GFLOP/s at 20 flops per interaction
...

    Poiché GKE esegue 50.000 iterazioni, il log potrebbe richiedere diversi minuti.

Esegui la pulizia

Elimina i job e tutti i relativi pod eseguendo il seguente comando:

kubectl delete job --all

Limita la memoria del dispositivo bloccata e il thread attivo con NVIDIA MPS

Per impostazione predefinita, quando utilizzi una GPU con NVIDIA MPS su GKE, le seguenti variabili di ambiente CUDA vengono iniettate nel carico di lavoro della GPU:

  • CUDA_MPS_ACTIVE_THREAD_PERCENTAGE: questa variabile indica la percentuale di thread disponibili che ogni unità di condivisione MPS può utilizzare. Per impostazione predefinita, ogni unità di condivisione MPS della GPU è impostata su 100 / MaxSharedClientsPerGPU per ottenere una fetta uguale del calcolo della GPU in termini di multiprocessore stream.

  • CUDA_MPS_PINNED_DEVICE_MEM_LIMIT: questa variabile limita la quantità di memoria GPU che può essere allocata da un'unità di condivisione MPS della GPU. Per impostazione predefinita, ogni unità di condivisione MPS della GPU è impostata su total mem / MaxSharedClientsPerGPU per ottenere una porzione uguale della memoria GPU.

Per impostare il limite di risorse per i carichi di lavoro GPU, configura queste variabili di ambiente NVIDIA MPS:

  1. Esamina e crea l'immagine dell'esempio cuda-mps su GitHub.

  2. Salva il seguente manifest come cuda-mem-and-sm-count.yaml:

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: cuda-mem-and-sm-count
spec:
  hostIPC: true
  nodeSelector:
    cloud.google.com/gke-gpu-sharing-strategy: mps
  containers:
    - name: cuda-mem-and-sm-count
      image: CUDA_MPS_IMAGE
      securityContext:
        privileged: true
      resources:
        limits:
          nvidia.com/gpu: 1

    Sostituisci CUDA_MPS_IMAGE con il nome dell'immagine che hai creato per l'esempio cuda-mps.

    NVIDIA MPS richiede l'impostazione di hostIPC:true sui pod. La configurazione hostIPC:true consente al contenitore di accedere alla risorsa host, il che comporta rischi per la sicurezza.

  3. Applica il manifest:

    kubectl apply -f cuda-mem-and-sm-count.yaml

  4. Controlla i log di questo pod:

    kubectl logs cuda-mem-and-sm-count

    In un esempio che utilizza NVIDIA Tesla® L4 con gpu-sharing-strategy=mps e max-shared-clients-per-gpu=3, l'output è simile al seguente:

    For device 0:  Free memory: 7607 M, Total memory: 22491 M
For device 0:  multiProcessorCount: 18

    In questo esempio, la GPU NVIDIA Tesla® L4 ha 60 SM e 24 GB di memoria. Ogni unità di condivisione MPS riceve circa il 33% di thread attivi e 8 GB di memoria.

  5. Aggiorna il manifest per richiedere 2 nvidia.com/gpu:

      resources:
        limits:
          nvidia.com/gpu: 2

    L'output è simile al seguente:

    For device 0:  Free memory: 15230 M, Total memory: 22491 M
For device 0:  multiProcessorCount: 38

  6. Aggiorna il manifest per sostituire le variabili CUDA_MPS_ACTIVE_THREAD_PERCENTAGE e CUDA_MPS_PINNED_DEVICE_MEM_LIMIT:

      env:
    - name: CUDA_MPS_ACTIVE_THREAD_PERCENTAGE
      value: "20"
    - name: CUDA_MPS_PINNED_DEVICE_MEM_LIMIT
      value: "0=8000M"

    L'output è simile al seguente:

    For device 0:  Free memory: 7952 M, Total memory: 22491 M
For device 0:  multiProcessorCount: 10

Limitazioni

  • L'MPS sulle GPU pre-Volta (P100) ha funzionalità limitate rispetto ai tipi di GPU in Volta e versioni successive.
  • Con NVIDIA MPS, GKE garantisce che a ogni contenitore venga assegnata una quantità limitata di memoria del dispositivo bloccata e di thread attivi. Tuttavia, altre risorse come la larghezza di banda della memoria, gli encoder o i decodificatori non vengono acquisite nell'ambito di questi limiti di risorse. Di conseguenza, i contenitori potrebbero influire negativamente sul rendimento di altri contenitori se richiedono tutti la stessa risorsa illimitata.
  • NVIDIA MPS presenta limitazioni per la protezione della memoria e il contenimento degli errori. Ti consigliamo di valutare queste limitazioni per assicurarti la compatibilità con i tuoi carichi di lavoro.
  • NVIDIA MPS richiede l'impostazione di hostIPC:true sui pod. La configurazione hostIPC:true consente al contenitore di accedere alla risorsa host, il che comporta rischi per la sicurezza.
  • GKE potrebbe rifiutare determinate richieste di GPU quando si utilizza NVIDIA MPS per evitare comportamenti inaspettati durante l'allocazione della capacità. Per maggiori dettagli, consulta Limiti di richiesta per le soluzioni di condivisione della GPU.
  • Il numero massimo di container che possono condividere una singola GPU fisica con NVIDIA MPS è 48 (le GPU pre-Volta supportano solo 16). Quando pianifichi la configurazione di NVIDIA MPS, tieni conto delle esigenze di risorse dei tuoi carichi di lavoro e della capacità delle GPU fisiche sottostanti per ottimizzare le prestazioni e la reattività.
  • La configurazione dell'API NVIDIA MPS è supportata solo utilizzando Google Cloud CLI o la console Google Cloud.

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