分析 | 云办公时代，虚拟化GPU将提升生产力

作者：李秧

赛迪顾问股份有限公司

集成电路产业研究中心

高级分析师

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2020年注定为不寻常的一年。随着疫情的蔓延，全球范围中许多企业和员工开始探索将部分线下办公转为远程办公，云计算、数据中心、专业可视化等领域引来了空前的发展机遇期。针对快速增加的虚拟化图形计算的需求，英伟达公司推出了虚拟化vGPU解决方案，使IT团队能够为远程办公人员提供技术支持，确保他们流畅使用复杂的图形应用程序，以及应对AI和机器学习的工作负载。

未来全球范围内远程办公的用户使用习惯将进一步提高，但是以往的解决方案存在着技术、设备、软件或基础架构等缺陷，无法匹配企业及员工的需求，尤其在部分专业化较强的应用场景中捉襟见肘，如复杂的3D渲染、高精度的物理仿真、低延时VR&AR等。虚拟化办公是最佳的解决方案，虚拟化能够在为远程办公的员工提供出色的用户体验的同时确保敏感数据的安全。

英伟达的vGPU解决方案具体而言，将为远程工作的员工提供技术支持，将算力部署在云端，让员工能够在移动终端上使用复杂的图形应用程序、进行复杂图形计算、以及完成AI和机器学习的工作任务。vGPU采用的Turing架构，引入光线追踪核心（RT Core）,可实现实时对物体和环境的光线追踪，准确进行物理阴影、反射、折射和全局照明的绘制，避免删格化，打造更为逼真的画面。为协助企业共克时艰，英伟达为企业提供了可观数量的免费vGPU使用许可证，并提供多种可供选择的定制化软件方案。

未来已来，“云办公”时代

2020年的新型冠状病毒在全球扩散，由于病毒较高的传染性和复工时间延后，许多企业开始推行远程办公，从全球来看远程办公行业正处于高速发展阶段，如今更将获得爆发增长的机会。赛迪顾问统计，仅在2017年美国已有3000万人在家中远程办公，占美国工作人口的17.5%左右。2017年，全世界已有24%的企业尤其是科技企业采用远程办公方式；到2020年，预计大约50%的科技企业将会有约29%的员工实现远程办公。

图1：全球科技企业远程办公趋势

中国远程办公的渗透率较低，市场潜力巨大，并处于快速发展时期。赛迪顾问统计，2018年中国远程办公人数为490万人，预计2020年中国远程办公人数将达1600万人，市场规模也会由2018年的90亿元增长到2020年的295亿元。

图2：中国远程办公人数及市场规模

未来已来，一个确定事实便是2020年“云办公”需求的爆发，已经为这个市场带来了前所未有的巨大变化，统计显示约有91%的员工在这个特殊时期进行了“在家办公”。我们可以从供需的分析对未来市场的趋势窥见一二：在需求端，产业链在跨地区以及全球分工趋势不断增强，跨地区工作协调需求日益提升；在供给端，互联网与科技巨头纷纷布局，云计算、大数据、Al等新技术发展为远程办公提供技术支撑，日益丰富的网络资源提供行业发展的底层基础。

可以预见的是，未来企业和员工逐步培育了远程办公习惯，疫情的缓解也或不会降低远程办公的需求，远程办公行业正进入发展快车道。

高效安全，英伟达虚拟化vGPU

随着远程办公需求的爆发，图形计算、AI推理等依赖GPU的专业工作的远程工作需求也将爆发，虚拟化GPU应运而生。早在2012年，英伟达便提出了虚拟化vGPU解决方案，旨在云系统中加速图形输入/输出的虚拟桌面部署。

传统的实体计算设备（例如台式电脑，笔记本电脑或服务器）使用本地部署的GPU执行复杂的运算流程，例如进行专业图形操作、运行3D应用程序或视频直播等。但是对于远程办公的专业工作人员来说，这并非理想之选，一方面受制于本地设备的性能工作效率会大幅降低，另一方面GPU与实体设备绑定会限制移动性和灵活性。远程办公所需要的解决方案，是无需考虑操作系统可以从任何设备（笔记本电脑、平板电脑、智能手机等）访问，同时兼具高效性、可靠性、安全性、可维护性。

英伟达的vGPU解决方案将软件部署在服务器中的实体GPU上，可创建在多个虚拟机之间共享和分配的虚拟GPU。虚拟化vGPU让专业工作人员可以在任何设备和任何地点，为任意工作流程进行软件定义的GPU加速。

通过算法分配任务流也将提升工作效率，英伟达vGPU可以让运行在数据中心服务器上的虚拟机实例共享使用同一块或多块GPU处理器进行图形运算，相比以往仅部署CPU的服务器，在处理图形计算、AI推理等任务流的效率将获得百倍以上的提升。

图3：虚拟化CPU服务器结构vs英伟达vGPU服务器结构

使用GPU对数据中心进行虚拟化可以提高图形密集型应用程序的性能并优化工作流程，让企业能够使用VDI以经济高效的方式将性能扩展到所有员工。赛迪顾问测算，虚拟化GPU方案将帮助企业降低1/2的设备成本，并在工作效率、安全性、稳定性、管理度上均有所提升。

图4：虚拟化GPU相比传统解决方案的优势

针对远程办公“加速”，英伟达vGPU的具体解决方案

传统的PC与服务器对于GPU的需求很低，但随着网络连接速度的飞跃，2D、3D、XR视频和内容的爆发以及人工智能等行业的发展，GPU算力需求与日俱增，高性能的独立显示已变得不可或缺。英伟达统计，自2012年以来通过图形加速的应用程序已经翻了一倍，60%的企业用户至少访问一个图形加速应用程序，win10系统的普及也使图形计算需求增加32%。通用CPU同样能完成GPU的计算工作，但是GPU针对浮点运算和并行运算进行了优化使得图形处理得到“加速”；同样对虚拟化GPU而言，如何针对“远程办公”进行加速，也是至关重要的生产力指标。

英伟达vGPU部署当前最先进的Turing架构Quadro RTX系列GPU进行“加速”。资料显示，部署了RTX6000/8000的英伟达虚拟工作站拥有超越T4、V100S的性能，是当前算力最强的专业图形虚拟工作站，

英伟达vGPU的管理器通过先进的算法实现对工作流的加速，通过智能化调度算力资源实现效率提升。vGPU管理器将GPU划分为独立的vGPU实例，这些实例会直接传递至安装在虚拟机上的原生NVIDIA驱动程序。当用户登录到自己的虚拟机上并开始工作时，NVIDIA驱动程序会通过Hypervisor将命令发送至vGPU引擎，该引擎会对物理GPU所要处理的任务进行调度，然后将结果发回至虚拟机。工作人员可以在多个虚拟机之间共享GPU性能，也可以通过将多个GPU分配给一台机器来应对复杂工作负载。

图5：英伟达vGPU管理器资源调度示意

英伟达vGPU的分时机制“加速”生产和使用，同时降低了成本。vGPU将GPU划分为若干独立vGPU实例，每个vGPU实例享有固定且专用的Framebuffer，并通过在分时机制，使其能在碎片时间中占用整个GPU Engines从而提高GPU的使用率。分时机制帮助用户优化3D流水线工作流程，将优先级低、复杂的工作量错峰在夜间执行，相当于大幅提升算力。

另外英伟达RTX SERVER针对诸多专业软件进行了“加速”。

共克时艰，英伟达vGPU助力远程办公

疫情期间的线上化办公学习模式，加大了各行各业对算力的需求，企业比任何时候都更加支持员工远程办公，但是他们对员工所提供的支持因需而异。医疗行业需要对患者进行远程诊疗，学校需要在线上进行课程教学，金融行业需要借助多屏处理数据，知识工作者需要进行复杂的研究，设计师需要使用图形密集的应用程序。

英伟达提供了定制的vGPU软件许可证以满足多种虚拟化用例的不同需求：

NVIDIA Quadro vDWS：虚拟工作站可通过数据中心提供GPU资源让用户随时随地在任何设备上安全访问数据，用户不再受物理位置的限制，NVIDIA Quadro vDWS能够进一步发挥Quadro的优势，实现真正的GPU加速数据中心，通过数据中心虚拟化应用程序为终端用户如建筑师、工程师和设计师提供专业工作站级别的用户体验。通过支持两个8K显示器，建筑师、工程师和设计师可以直接查看设计细节，无需放大或缩小图像。NVIDIA Quadro vDWS从数据中心提供GPU加速的性能，为创意和技术专业人员的工作提供更高的生产力、灵活性和移动性。该方案有助于分散在各地的团队进行协作，并可以从任何地方通过任意设备实时安全地访问应用程序和数据。

常见应用程序有：Ansys Discovery Live、ESRI ArcGIS、Autodesk AutoCAD、Autodesk Maya、Autodesk Revit、CATIA、Petrel、Siemens NX、SOLIDWORKS等。

NVIDIA GRID vPC/vApps：NVIDIA GRID™虚拟PC(GRID vPC)和虚拟应用程序(GRID vApps)等虚拟化解决方案提供的用户体验与本地PC几乎别无二致，主要面向于知识工作者。NVIDIA GRID vPC/vApps通过GPU为每个远程用户提供沉浸式、虚拟化的Windows 10工作空间，优化办公应用程序和多媒体，保证低延时。借助服务器端图形以及全面管理和监控功能，GRID为VDI环境提供长效的解决方案。为组织中的每台VM(虚拟机)提供GPU加速能力，为各种现代企业应用程序提供优化并满足用户体验需求，这些程序包括Microsoft Outlook、Office 2016、网络浏览器、Adobe Photoshop以及Windows 10操作系统等。同时该解决方案可以将VDI的覆盖范围扩展到每个成员。

NVIDIA vComputerServer：提供虚拟化GPU和加速计算密集型服务器工作负载的能力，包括AI，深度学习和数据科学。使用该解决方案，汽车制造商可以使用最新的模拟和计算技术来创建最节省燃料和时尚的设计，研究人员可以分析基因的功能，以更快地进行医疗研发。

图6：英伟达vGPU功能和特色一览表

携手努力，共克时艰，为企业提供了可观数量的免费vGPU使用许可证，并提供多种可供选择的定制化软件方案。拥有vGPU软件许可证，企业能够借助其本地部署的英伟达GPU为使用者提供加速的虚拟桌面基础架构，支持知识工作者、设计师、内容创建者、工程师、研究人员、数据科学家等专业工作人员在任意地点远程办公协作。企业还可以通过管理软件临时调配应用于其他项目的英伟达GPU资源，助力远程办公者顺利开展工作。

除了高性能和低延迟，英伟达vGPU解决方案还能为数据和数字资产的安全性提供保障。这些数据和数字资产被存放在数据中心，且不会保存到本地客户端设备上。英伟达统计，vGPU解决方案将平均降低36%的企业设备成本，以及减少94%的计划外停机时间。

为协助病毒研究，英伟达提出了共享算力方案，支援斯坦福大学的分布式计算Folding home（FAH）项目。该项目为目前世界上最大的分布式计算计划（2007年吉尼斯世界纪录），主要用于疾病的AI研究，为蛋白质折叠、聚合及由此引起的相关疾病，进行药物计算设计和其他分子动力学研究。

算力时代，英伟达vGPU将影响各行各业变革

英伟达GPU是当今市场上第一梯队的数据中心GPU，在云端Al训练及推理服务器市场接近垄断地位。随着IDC行业的加速扩张，服务器GPU的需求高速增长，预计到2025年，全球服务器GPU用量将达到2469.6万个。

图7：服务器GPU用量（万个）

随着算力时代的到来，RTX SERVER也将渲染支持光线追踪的精美的场景，为专业设计、可视化提供支持。2019年英伟达还发布了创意专业人士设计的RTX Studio移动端GPU，性能堪比高端桌面工作站，配合英伟达G-SYNC可提供出色的视觉效果，方便光线追踪、Al处理、8K视频编辑等复杂任务。

图8：英伟达专业设计可视化业务

在建筑设计中，RTX SERVER能够实现对复杂建筑设计的实时渲染；在影视渲染中，英伟达与中国云渲染公司瑞云科技合作，原本需花费485个小时渲染的场景只需不到40小时即可渲染完成，速度快12倍，成本降低7倍；在产品设计中，实时光线追踪能为汽车等产品实时渲染出令人着迷的产品图；在AR渲染中，英伟达使用实时光线追踪和基于AI的姿态估计，实现动作捕捉和虚拟场景仿真，营造身临其境的体验；此外专业设计可视化还可用在广告、实时播报、医疗保健、政府工作等行业。

图9：英伟达RTX实时3D渲染“阿波罗登月”

短期来看，在疫情冲击下，远程办公成为许多企业的主流办公方式，虚拟GPU技术能帮助地理上分散的团队进行远程存取资源与实时协作，在保障了员工体验和生产力的同时，也为企业节约了IT基础设施的投资和运营成本。

长期来看，企业工作方式在持续进化和革新。一方面，越来越多的工作环境正转向复杂图形化和计算密集化，仅配备CPU的虚拟化环境难以满足专业人员对工作效率的需求；另一方面，客户和人才资源分布在全球各地，如果想要极大程度的整合这些优质资源，必然要摆脱空间和硬件设备的束缚。

赛迪顾问预测，到2025年，75%的G2000企业将采用一种灵活、智能的虚拟机和物理机切换的工作环境作为未来的办公模式，以此来改善员工体验和工作效率。同时，65%的G2000企业表示将提供远程办公和协同办公的选项。

NVIDIA作为行业主导者，已经联合数百个ISV将现阶段GPU虚拟化的用户体验做到极致，释放出大量生产力和创造力，影响各行各业变革。但同时也要注意，使用虚拟化云算力将始终伴随着数据隐私与数据安全的问题，而在算力需求有限的情况下虚拟化GPU也并非企业平衡成本的首选，如何在效率、成本和安全性中取得平衡，将始终是产品和解决方案需要重点考量的问题。