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@s059ff

Proxmox VE 7.1 NVIDIA GPU Passthrough まとめ

Last updated at Posted at 2022-02-23

Proxmox VE 7.1 NVIDIA GPU Passthrough まとめ

Proxmox VE での PCI Passthrough についての日本語の情報が少なかったため、本記事にてまとめる。(2022/2/23 時点)
詳細は公式ドキュメント1を参照。

目的

Proxmox VE にて GPU パススルーの機能を試し、実用性（性能、安定性）を検証する。

GPU パススルー機能を検証するゲストOSは、以下を試す。

  • Ubuntu Server 20.04
  • Ubuntu Desktop 20.04
  • Windows 10 Pro 21H2 x64

ハードウェア環境

  • ホストマシン: Dell Precision Tower 5810
    • CPU: Xeon E5-2600 v4 系
    • RAM: RDIMM DDR4 64GB
    • PCI デバイス (スロット番号については2を参照):
      • スロット1: (なし)
      • スロット2: NVIDIA Quadro M2000 (GPU)
      • スロット3: (なし)
      • スロット4: (Intel NIC)
      • スロット5: (なし)
      • スロット6: (なし)

ソフトウェア環境

  • ホストマシン: Proxmox VE 7.1-10
    • ブートローダー: systemd-boot

作業手順

  1. 仮想化支援機構の有効化
    ホストマシンのBIOSにて、VT-x, VT-d を有効にする。(VT-d は PCI Passthrough で必須)
    • 参考 (自分の環境の場合):

      • ✓ Enable Intel Virtualization Technology

      • ✓ Enable VT for Direct I/O

  2. Proxmox VE のインストール
    1. ホストマシンに Proxmox VE をインストールする。(インストール方法は割愛)
  3. IOMMU の有効化 (https://pve.proxmox.com/wiki/Pci_passthrough#Enable_the_IOMMU)
    1. ブートローダーのカーネルコマンド引数を変更する。
      • Proxmox VE のブート方法 (GRUB/systemd-boot) および CPU のメーカー (Intel/AMD) で作業内容が異なる点に注意
      • GRUB の場合: /etc/default/grub を編集
        1. GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet intel_iommu=on" を追記
        2. update-grub 実行

          • GRUB ではなく systemd-boot でブートしている場合、以下のような警告文が出る。(自分はこれで気づいた)

            W: This system is booted via proxmox-boot-tool:
W: Executing 'update-grub' directly does not update the correct configs!
W: Running: 'proxmox-boot-tool refresh'
      • systemd-boot の場合: /etc/kernel/cmdline を編集
        1. 最初の行の末尾に quiet intel_iommu=on 追記
        2. (iommu=pt も指定するとパフォーマンスが向上するらしいので、これも追記した。)
        3. proxmox-boot-tool refresh 実行
    2. マシンを再起動する。
    3. IOMMU が有効になったかどうかは、以下のコマンドを実行して確認する。(https://pve.proxmox.com/wiki/Pci_passthrough#Verify_IOMMU_is_enabled)

      • dmesg | grep -e DMAR -e IOMMU

        • IOMMU enabled のような出力があれば有効になっている。

      • 参考 (自分の環境の場合):

        # dmesg | grep -e DMAR -e IOMMU
[    0.011971] ACPI: DMAR 0x00000000C9FE48E8 0000DC (v01 DELL   CBX3     00000001 INTL 20091013)
[    0.012000] ACPI: Reserving DMAR table memory at [mem 0xc9fe48e8-0xc9fe49c3]
[    0.144018] DMAR: IOMMU enabled
[    0.373806] DMAR: Host address width 46
[    0.373807] DMAR: DRHD base: 0x000000f7ffd000 flags: 0x0
[    0.373813] DMAR: dmar0: reg_base_addr f7ffd000 ver 1:0 cap 8d2008c10ef0466 ecap f0205b
[    0.373816] DMAR: DRHD base: 0x000000f7ffc000 flags: 0x1
[    0.373820] DMAR: dmar1: reg_base_addr f7ffc000 ver 1:0 cap 8d2078c106f0466 ecap f020df
[    0.373822] DMAR: RMRR base: 0x000000cafe5000 end: 0x000000caff3fff
[    0.373824] DMAR: ATSR flags: 0x0
[    0.373825] DMAR: RHSA base: 0x000000f7ffc000 proximity domain: 0x0
[    0.373827] DMAR-IR: IOAPIC id 1 under DRHD base  0xf7ffc000 IOMMU 1
[    0.373829] DMAR-IR: IOAPIC id 2 under DRHD base  0xf7ffc000 IOMMU 1
[    0.373830] DMAR-IR: HPET id 0 under DRHD base 0xf7ffc000
[    0.373831] DMAR-IR: x2apic is disabled because BIOS sets x2apic opt out bit.
[    0.373832] DMAR-IR: Use 'intremap=no_x2apic_optout' to override the BIOS setting.
[    0.374339] DMAR-IR: Enabled IRQ remapping in xapic mode
[    0.694077] DMAR: No SATC found
[    0.694079] DMAR: IOMMU feature sc_support inconsistent
[    0.694081] DMAR: IOMMU feature dev_iotlb_support inconsistent
[    0.694082] DMAR: dmar0: Using Queued invalidation
[    0.694085] DMAR: dmar1: Using Queued invalidation
[    0.697219] DMAR: Intel(R) Virtualization Technology for Directed I/O
  4. 仮想マシンの作成 (https://pve.proxmox.com/wiki/Pci_passthrough#GPU_OVMF_PCI_Passthrough_.28recommended.29)

    • デフォルト設定から変更が必要な箇所:

      • System > Machine
        • Default (i440fx) → q35 (PCIe パススルーで必須)
      • System > Bios
        • Default (SeaBIOS) → OVMF(UEFI)
      • System > EFI Storage
        • (空白) → 任意
      • 他はデフォルト値のままで動作した。

    • 仮想マシンが作成されたら、ハードウェアの追加設定 (左側のメニューの "Hardware")

      • Display: none (none)

      • PCI Device: (Add ボタンをクリック)

        • Device: パススルー対象の GPU を探して選択 (ブルダウンボックス)
          • 参考 (自分の環境の場合):
            • 0000:03:00.0
        • All Functions: ✓
        • Primary GPU: ✓
        • (Advancedを ✓ して)
          • PCI-Express: ✓ (チェックしないとゲストOS起動時にハングアップ)

      • USB Device: (Add ボタンをクリック)

        • ● Use USB Port
          • Choose Port: 有効なUSBキーボードを選択
        • PCI パススルーを有効にすると(?) noVNC が使えなくなり、ゲストOSのインストールができない。そのため、キーボードを直接VMに接続する。

  5. VM > Secure Boot の無効化 (:warning: Windows11 ゲストの場合はこの工程をスキップ)

    1. GPU から直接モニターに映像が出力されるため、パススルー指定した GPU にモニターを接続する。

    2. VM を起動する。

    3. 仮想マシンのブート中に F2? Esc? Del? を連打し、BIOS? に入る。Attempt Secure Boot の項目の✓を外す。(自分の環境ではデフォルトで ON になっていた。)

      • Secure Boot が ON になっていると、NVIDIAドライバーインストール後のゲストOS再起動時にハングアップする。

    4. F10 を押して Save

    5. Reset を選択してVMを再起動 (一番下の項目)

  6. VM > ゲストOSのインストール (省略)
  7. VM > NVIDIAドライバのインストール
    1. NVIDIAドライバのインストール

      • ubuntu ゲスト:

        • apt install nvidia-driver-XXX --no-install-recommends ... XXX の部分はドライババージョン

      • windows ゲスト:

        • NVIDIA のホームページからインストーラーをダウンロードして実行

      • 参考 (自分の環境の場合):

        • ドライババージョンは 510 を選択。

      • 注: 手順 5. の Secure Boot が無効化されていないと、NVIDIAドライバのインストール中に以下の画面が表示される。

        vm-ubuntu-focal-gpu (ubuntu) 2022_02_22 17_35_32.png

    2. VM を再起動して GPU が認識しているか確認。

      • ubuntu ゲスト:

        $ nvidia-smi
Thu Feb 24 00:59:11 2022
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 510.47.03    Driver Version: 510.47.03    CUDA Version: 11.6     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                               |                      |               MIG M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  Quadro M2000        Off  | 00000000:01:00.0 Off |                  N/A |
| 56%   42C    P0    22W /  75W |      0MiB /  4096MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
|  No running processes found                                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

        ↑ 物理マシンで GPU を使用する際と同じ出力が得られる。

        $ lspci | grep NVIDIA
01:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation GM206GL [Quadro M2000] (rev a1)
01:00.1 Audio device: NVIDIA Corporation GM206 High Definition Audio Controller (rev a1)

        ↑ バス番号 "01" にパススルーされた GPU が接続されていることがわかる。

動作テストとベンチマーク

  1. TensorFlow benchmarks 3 (Ubuntu Server 20.04)

    • TensorFlow の動作確認 (TensorFlow については省略)

    • ベンチマークの様子:

      (左) nvidia-smi / (右) tf_cnn_benchmarks.py

    • GPU パススルーを使用すると、VM 上でも物理マシンと同じ感覚で GPU を扱えることがわかる。

  2. Passmark ベンチマーク 4 (Windows 10 Pro 21H2 x64)

    • ベンチマーク結果 (3D Graphics Mark に注目)

      • 3D Graphics Mark 総合スコアは 4117 だった。

    • web上で公開されているベンチマーク結果 5

    • GPU パススルーを使用すると、VM でも物理マシンと変わらない性能が得られることがわかる。

まとめ

本実験にて、以下の知見が得られた。

  • Proxmox VE では、PCI デバイスを簡単に VM にパススルーすることができる。
    • ただし、ホストマシンに VT-d 機能が必要
  • Ubuntu ゲストOS および Windows ゲストOS にて性能評価を行い、
    パススルーされた GPU が、物理マシンで使用する場合と比較して、同等の性能を発揮できることを確認した。
  • PCI パススルーの欠点 (VT-d の欠点): 同じハードウェアを複数の VM 間で共有できない。

補足: VT-d (Virtualization Technology Direct I/O) について

今知っておきたい仮想化時代のCPU技術 などに詳しい説明がある。

VT-dはI/O側に実装されている技術である。

I/O処理を高速化するには、従来はVMやゲストに特殊なドライバが必要だったが、このハードウエア・リソースのリマッピングをハードウエアで行うのがVT-dである。

おまけ (Processor の仮想化/仮想化なしの比較)

  • Proxmox VE では、物理 CPU とは異なる CPU をエミュレートできる。
    • VM の Processors > Type を変更することで、エミュレーションする CPU が変更できる (デフォルトでは仮想?CPU kvm64)
      • host を選択すると、物理 CPU がそのまま? VM で使用される。
    • Processor Type を kvm64 と host のそれぞれで Passmark ベンチマークを実行する。(Windows 10 Pro 21H2 x64)
  • 結果

    • Processor Type: kvm64 の場合

    • Processor Type: host の場合

    • Extended Instructions (SSE) と Encryption の項目について、kvm64 と host の間で大きな差が確認できる。

    • kvm64 ではいくつかの SIMD 拡張命令 (SSE4, AVX 等) や AES-NI が無効のようである。

      • 前者は Extended Instructions (SSE) テストに、後者は Encryption テストに対する影響が大きいと思われる。

      • kvm64 での /proc/cpuinfo:

        $ cat /proc/cpuinfo
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 15
model           : 6
model name      : Common KVM processor
stepping        : 1
microcode       : 0x1
cpu MHz         : 2294.686
cache size      : 16384 KB
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 0
cpu cores       : 4
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 13
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx lm constant_tsc nopl xtopology cpuid tsc_known_freq pni cx16 x2apic hypervisor lahf_lm cpuid_fault pti
bugs            : cpu_meltdown spectre_v1 spectre_v2 spec_store_bypass l1tf mds swapgs itlb_multihit
bogomips        : 4589.37
clflush size    : 64
cache_alignment : 128
address sizes   : 40 bits physical, 48 bits virtual
power management:

      • host での /proc/cpuinfo:

        $ cat /proc/cpuinfo
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 79
model name      : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2697R v4 @ 2.30GHz
stepping        : 1
microcode       : 0xb000038
cpu MHz         : 2294.625
cache size      : 16384 KB
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 0
cpu cores       : 4
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 20
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon rep_good nopl xtopology cpuid pni pclmulqdq vmx ssse3 fma cx16 pdcm pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch cpuid_fault invpcid_single pti ssbd ibrs ibpb stibp tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid ept_ad fsgsbase tsc_adjust bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm rdseed adx smap xsaveopt arat umip md_clear arch_capabilities
bugs            : cpu_meltdown spectre_v1 spectre_v2 spec_store_bypass l1tf mds swapgs taa
bogomips        : 4589.25
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

  1. https://pve.proxmox.com/wiki/Pci_passthrough ↩

  2. https://www.dell.com/support/manuals/ja-jp/precision-t5810-workstation/precision_t5810_om_pub-v2/%E6%8A%80%E8%A1%93%E4%BB%95%E6%A7%98?guid=guid-cb1a5aa6-1e70-44b9-b690-59507a3a9f31 ↩

  3. https://github.com/tensorflow/benchmarks ↩

  4. https://www.passmark.com/products/performancetest/index.php ↩

  5. https://www.videocardbenchmark.net/gpu.php?gpu=Quadro+M2000&id=3512 ↩

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