NVIDIA GRID

  • Программно-аппаратный комплекс NVIDIA GRID
  • Виртуальные десктопы и приложения
  • Облачные игры
Опыт использования графических карт NVIDIA GRID при работе с системами 3D-моделирования Autodesk на виртуальном рабочем месте

Гордиенко В.Б., Иванцов М.С., Мухаметшин Б.З., Юлдашев А.В. (arthur@mail.rb.ru), Юлдашева Л.В. Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)

В статье рассмотрен опыт пилотной эксплуатации тестового стенда, оснащенного графическими картами NVIDIA GRID, на котором средствами программного обеспечения Citrix была развернута виртуальная инфраструктура для удаленной работы с ресурсоемкими графическими приложениями. Апробация новой технологии виртуализации проведена на учебных проектах, выполненных в системах 3D-моделирования Autodesk Inventor и 3ds Max.

В 2013 году на рынке появились специализированные графические карты компании NVIDIA под названием GRID K1 и K2. Главной особенностью карт NVIDIA GRID [1] является возможность их использования в виртуализированных средах Citrix, VMware и Microsoft. Данная технология позволяет создавать виртуальные рабочие места для работы в ресурсоемких графических приложениях, в частности, для 3D-моделирования в системах автоматизированного проектирования, что ранее было проблематично в связи с ограниченной поддержкой графических карт в виртуализированных средах. Важно, что ведущие разработчики САПР начали сертификацию своих программных комплексов (AutoCAD, Inventor, SolidWorks, NX и др. [2]) для использования на виртуальных рабочих местах с NVIDIA GRID. Кроме того, недавно компании Autodesk, Amazon Web Services, OTOY и NVIDIA запустили облачный доступ к средствам 3D-моделирования на основе «инстансов», оснащенных указанными графическими картами.

Описание используемых технологий

В соответствии с техническими спецификациями [3] карта GRID K1 включает в себя четыре графических процессора (GPU) на базе архитектуры Kepler уровня начальных Quadro K600, а GRID K2 – два GPU уровня профессиональных Quadro K5000. В настоящее время модули NVIDIA GRID поставляются в составе серверов всех именитых производителей серверного оборудования от IBM до SuperMicro, причем в зависимости от модели на сервер может быть установлено от 1 до 4 модулей NVIDIA GRID.

Система виртуализации Citrix XenServer, которая сейчас наиболее полно интегрирована с NVIDIA GRID, в связке с XenDesktop позволяет реализовать две основные модели доступа к ресурсам сервера, оснащенного графическими картами: подключение к виртуальной машине выделенного GPU (технология NVIDIA GPU pass-through) и разделение ресурсов GPU множеством виртуальных машин (технология vGPU). Последняя модель позволяет разделить один физический графический процессор на множество виртуальных с пониженными характеристиками, так, например, на базе платы K2 можно организовать до 16 виртуальных GPU и распределить их между виртуальными машинами. Таким образом, NVIDIA GRID можно гибко конфигурировать в зависимости от графических требований виртуальных рабочих мест.

Характеристики тестового стенда NVIDIA GRID

В УГАТУ кафедрой высокопроизводительных вычислительных технологий и систем совместно с управлением информационных технологий был организован тестовый стенд для исследования применимости технологии NVIDIA GRID в рамках учебного процесса и проектных работ. Тестовый стенд развернут на базе сервера IBM iDataPlex dx360 M4, оснащенного двумя центральными процессорами (CPU) Intel Xeon E5-2670, двумя графическими платами NVIDIA GRID K2, 128 ГБ оперативной памяти и двумя дисками SSD по 60 ГБ, объединенными в RAID0. Наличие двух CPU Intel и четырех GPU NVIDIA (в составе двух плат GRID K2) позволяет организовать на базе тестового стенда от четырех рабочих мест с выделенными GPU (для продвинутых пользователей, предъявляющих повышенные требования к производительности графической подсистемы), до 32 рабочих мест с виртуальными GPU.

В рамках исследования оценивалась производительность и стабильность виртуального рабочего места, подключенного к выделенному GPU. Для этого на сервере средствами системы виртуализации Citrix XenServer в связке с XenDesktop была развернута виртуальная инфраструктура, включающая в себя две сервисные виртуальные машины с ОС Windows Server 2008 R2 и пользовательскую виртуальную машину с ОС Windows 7 (4 vCPU, 32 ГБ оперативной памяти, 1 выделенный GPU).

Отзывы пользователей о работе на виртуальном рабочем месте

В целях апробации на тестовом стенде различных учебных проектов к пользовательской «виртуалке» предоставлялся удаленный доступ для заинтересованных преподавателей и студентов. В исследовании приняли участие представители кафедр авиационной теплотехники и энергетики (АТиТ), машин и технологии литейного производства (МиТЛТ), технологии машиностроения (ТМ), а также безопасности производства и промышленной экологии (БПиПЭ) с учебными проектами, выполненными в пакетах трехмерного моделирования Autodesk AutoCAD, Inventor и 3ds Max.

Доступ к виртуальной машине был организован средствами Citrix StoreFront, что предполагает выход на удаленный рабочий стол через браузер. Пользователи отметили простоту получения доступа к виртуальной машине и небольшое время инициализации удаленного сеанса. Относительно долго проходило лишь первое подключение из-за установки необходимого для организации удаленной сессии приложения Citrix Reciever. Пользователи подключались к тестовому стенду с различных компьютеров, характеристики которых приведены в таблице 1, из различных точек университета. С одной стороны это показало возможность организации высокопроизводительного виртуального рабочего места при использовании в качестве терминалов не самых современных компьютеров (на базе процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Pentium D и т.п.), а с другой стороны относительно невысокие требования к пропускной способности сети (достаточно 10 Мбит/c).

На рисунке 1(а) изображена модель слесарных тисков с пневмоприводом, построенная в пакете Autodesk Inventor, подобные сборки выполняют студенты в рамках расчетно-графических работ по дисциплине «Графическое моделирование в САПР ТП». Во время работы с данной сборкой на локальном компьютере PC1 (Intel Core i3-2100, NVIDIA GeForce GT 440) при тонированном отображении появляются дефекты в виде нечеткости отображения ребер; при изменении положения сборки в рабочем пространстве (в реалистичном стиле с интерактивной трассировкой лучей) возникает сильная рябь. Отмечено, что на виртуальном рабочем месте скорость трассировки в 2-3 раза выше и дефекты отображения несущественны.

Сборка    «Тиски пневматические»трехмерный массив однотипных деталей

Рисунок 1 – (а) Сборка «Тиски пневматические» и (б) трехмерный массив однотипных деталей (Autodesk Inventor 2013). Кафедра ТМ.

На рисунке 1(б) изображена тестовая сборка, представленная массивом деталей с наложенным рельефом и множеством отверстий. Работа со сборкой, состоящей из более 1000 деталей на том же локальном компьютере практически невозможна: ощущается тяжесть сборки, трудно работать с командами панорамирования, поворота и масштабирования; возникают существенные задержки при отображении, размытость изображений. Виртуальное рабочее место дает стабильно более высокую производительность: существенно ускоряется работа с 3D-моделью при выполнении операций вращения и масштабирования; отклик происходит моментально, задержки в отображении практически не ощущаются.

В следующем эксперименте на тестовом стенде магистрантом кафедры МиТЛТ создавалась пробная модель отливки, напоминающая звено кривошипно-шатунного механизма, с литниково-питающей системой и стержнем (рисунок 2). Подключение осуществлялось с персонального компьютера PC2 на базе CPU Intel Core 2 Duo E7500. Пользователи отметили стабильное соединение: создавалось впечатление, что все происходит как на хорошем стационарном компьютере. Также была отмечена высокая производительность на графических операциях, достаточная для конструкторской деятельности.

Модель    отливки

Рисунок 2 – Модель отливки (Autodesk Inventor 2013). Кафедра МиТЛТ.

Рассмотрим еще один проект, выполненный студентом кафедры БПиПЭ в рамках курсового проектирования в среде 3ds Max. Целью данного проекта являлась демонстрация характера разрушений при столкновении самолета со зданиями уфимского аэропорта. Проект характеризуется высокой сложностью (более 1,5 млн. полигонов), поэтому как на локальном, так и виртуальном рабочем месте наблюдалось «подтормаживание» при быстром вращении моделей в видовом окне для некоторых режимов отображения. Тем не менее, была отмечена высокая производительность системы с NVIDIA GRID относительно локального компьютера NB (Intel Core-i7 950, NVIDIA GeForce GTX 460) на различных операциях визуализации и расчетов. Это проявилось не только в повышении интерактивности при работе с моделью, но и в снижении времени, требуемого на рендеринг изображений (рисунок 3) в высоком разрешении.

Кадры    моделирования столкновения самолета со зданиями Кадры    моделирования столкновения самолета со зданиями

Рисунок 3 – Кадры моделирования столкновения самолета со зданиями (Autodesk 3ds Max 2014). Кафедра БПиПЭ.

Кроме рассмотренных пакетов Autodesk положительный опыт работы на тестовом стенде был получен в программном продукте для проектирования объектов инфраструктуры AutoCAD Civil 3D, а также в ресурсоемком программном комплексе геологического моделирования Roxar RMS.

Выводы

Подытоживая вышесказанное, отметим возможные способы применения виртуализированных рабочих мест на базе технологии NVIDIA GRID в среде университета:

  • проведение демонстраций «тяжелых» проектов в рамках занятий и презентаций;
  • использование виртуального рабочего места для проектных работ как альтернатива высокопроизводительной рабочей станции;
  • организация виртуального учебного класса, используемого различными кафедрами в режиме разделения времени.

Планируется масштабирование развернутой системы, проведение нагрузочных тестов и ввод системы в эксплуатацию в рамках учебного процесса и проектных работ.

Благодарности

Благодарим за оказанную поддержку преподавателей УГАТУ: доцента кафедры БПиПЭ Ахтямова Р.Г., доцента кафедры АТиТ Сенюшкина Н.С., старшего преподавателя кафедры МиТЛТ Смирнова В.В.

Литература


Приложение

Таблица 1. Характеристики компьютеров, использованных для подключения к тестовому стенду NVIDIA GRID, и виртуального рабочего места (vPC).

ПК

Центральный процессор

Объем оператив. памяти, ГБ

Графика

Скорость загрузки данных с тестового стенда*, Мбит/c

Операционная система

PC1

Intel Core i3-2100 3,1 ГГц

4

NVIDIA GeForce GT 440

8

Windows XP

PC2

Intel Core 2 Duo E7500 2,93 ГГц

2

Интегрированная в чипсет Intel G33

28

Windows 7

NB

Intel Core-i7 950 3,07 ГГц

8

NVIDIA GeForce GTX 460

27

Windows XP

vPC

Intel Xeon E5-2670 2,6 ГГц (4 vCPU)

32

NVIDIA GRID K2

-

 

Windows 7

*Скорость загрузки замерена средствами Speedtest Mini.

Таблица 2. Сравнение времени выполнения некоторых операций на локальном (PC1) и виртуальном (vPC) рабочем месте при работе с проектом, изображенным на рис. 1(б).

Операция

Время на PC1, с

Время на vPC, с

Запуск Inventor

12

7

Изменение визуального стиля отображения на реалистичный с интерактивной трассировкой лучей

11

1

Открытие формы детали из Inventor в Inventor Fusion

120

25

 

Таблица 3. Сравнение времени выполнения некоторых операций на локальном (NB) и виртуальном (vPC) рабочем месте при работе с проектом, изображенным на рис. 3.

Операция

Время на NB, с

Время на vPC, с

Запуск 3ds Max

12

7

Рендеринг изображения в формате jpeg 256*188 (Default Scanline Renderer)

300

75