การจำลองเสมือน GPUหมายถึงเทคโนโลยีที่อนุญาตให้ใช้GPUเพื่อเร่งความเร็วการประมวลผลกราฟิกหรือ แอปพลิเคชัน GPGPUที่ทำงานบนเครื่องเสมือนการจำลองเสมือน GPU ถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการจำลองเสมือนเดสก์ท็อป [ ^{1 ] เกม}บนคลาวด์^{[ 2 ]}และวิทยาศาสตร์การคำนวณ (เช่น การจำลอง อุทกพลศาสตร์ ) ^{[ 3 ]}

โดยทั่วไป การใช้งานการจำลองเสมือน GPU จะเกี่ยวข้องกับเทคนิคอย่างน้อยหนึ่งอย่างต่อไปนี้: การจำลองอุปกรณ์, การเข้าถึง API ระยะไกล, การส่งผ่านแบบคงที่ และการส่งผ่านแบบมีตัวกลาง แต่ละเทคนิคมีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันในเรื่องอัตราส่วนการรวม เครื่องเสมือนกับ GPU , การเร่งความเร็วของกราฟิก , ความแม่นยำ ในการเรนเดอร์ และ การสนับสนุน คุณสมบัติ , ความสามารถในการพก พา ไปยังฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกัน, การแยกเครื่องเสมือนออกจากกัน และการสนับสนุนการระงับ/การกลับมาทำงานต่อ และ การ ย้ายข้อมูลแบบสด^{[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

ใน การรีโมต APIหรือการส่งต่อ API การเรียกใช้ API แบบกราฟิกจากแอปพลิเคชันแขกจะถูกส่งต่อไปยังโฮสต์โดยการเรียกใช้ขั้นตอนระยะไกลจากนั้นโฮสต์จะดำเนินการคำสั่งกราฟิกจากแขกหลายรายโดยใช้ GPU ของโฮสต์ในฐานะผู้ใช้รายเดียว^{[ 1 ]}อาจถือได้ว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของพาราเวอร์ชวลไลเซชันเมื่อรวมกับการจำลองอุปกรณ์^{[ 7 ]}เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถแบ่งปันทรัพยากร GPU ระหว่างแขกหลายรายและโฮสต์ได้เมื่อ GPU ไม่รองรับการจำลองเสมือนด้วยฮาร์ดแวร์ การใช้งานนั้นง่ายในเชิงแนวคิด แต่มีข้อเสียหลายประการ: ^{[ 1 ]}

• ในการเข้าถึง API แบบกราฟิกโดยตรงนั้น การแยกตัวระหว่างเครื่องเสมือนมีน้อยมาก ซึ่งสามารถปรับปรุงการแยกตัวได้โดยใช้พาราเวอร์ชวลไลเซชัน
• ประสิทธิภาพการทำงานอยู่ในช่วง 86% ถึงต่ำสุด 12% ของประสิทธิภาพการทำงานดั้งเดิมในแอปพลิเคชันที่เรียกใช้คำสั่งวาดภาพจำนวนมากต่อเฟรม
• ต้องมีการส่งต่อ จุดเข้าใช้งาน API จำนวนมากและการใช้งานจุดเข้าใช้งานที่ไม่สมบูรณ์อาจลดความน่าเชื่อถือลงได้
• แอปพลิเคชันบนเครื่องเสมือนอาจถูกจำกัดด้วย API ที่มีอยู่เพียงไม่กี่ตัว

โดยทั่วไปแล้ว ไฮเปอร์ไวเซอร์จะใช้หน่วยความจำร่วมกันระหว่างเกสต์และโฮสต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดความหน่วงให้เหลือน้อยที่สุด การใช้อินเทอร์เฟซเครือข่ายแทน (ซึ่งเป็นแนวทางทั่วไปในการเรนเดอร์แบบกระจาย ) ซอฟต์แวร์ของบุคคลที่สามสามารถเพิ่มการสนับสนุนสำหรับ API เฉพาะ (เช่นrCUDA ^{[ 8 ]}สำหรับCUDA ) หรือเพิ่มการสนับสนุนสำหรับ API ทั่วไป (เช่น VMGL ^{[ 9 ]}สำหรับOpenGL ) เมื่อซอฟต์แวร์ของไฮเปอร์ไวเซอร์ไม่รองรับ แม้ว่าความล่าช้าของเครือข่ายและค่าใช้จ่ายในการเรียงลำดับ อาจมากกว่าประโยชน์ที่ได้รับก็ตาม

ในการส่งผ่านแบบคงที่หรือการส่งผ่าน GPU (กรณีพิเศษของ การส่งผ่าน PCI ) GPU จะถูกเข้าถึงโดยตรงโดยเครื่องเสมือนเครื่องเดียวโดยเฉพาะและถาวร เทคนิคนี้บรรลุประสิทธิภาพดั้งเดิม 96–100% ^{[ 3 ]}และความแม่นยำสูง^{[ 1 ]} แต่การเร่งความเร็วที่ GPU ให้มานั้นไม่สามารถแบ่งปันระหว่างเครื่องเสมือนหลายเครื่องได้ ด้วยเหตุนี้จึงมี อัตราส่วนการรวมที่ต่ำที่สุดและต้นทุนสูงสุด เนื่องจากเครื่องเสมือนที่เร่งความเร็วด้วยกราฟิกแต่ละเครื่องต้องการ GPU ทางกายภาพเพิ่มเติม^{[ 1 ]}

เทคโนโลยีซอฟต์แวร์ต่อไปนี้ใช้การส่งผ่านค่าคงที่:

• การเร่งความเร็วของกราฟิกเฉพาะเสมือนของ VMware (vDGA) ^{[ 10 ] [ a ]}
• Parallels Workstation Extreme ^{[ 26 ]}
• การกำหนดอุปกรณ์แยกส่วน Hyper-V (DDA) ^{[ 27 ]}
• การส่งผ่าน GPU ของ Citrix XenServer ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Xen ^{[ 30 ]}และQEMU / KVM ^{[ 30 ] [ 31 ]}พร้อมด้วยIntel GVT-d ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 31 ]}

VirtualBoxได้ลบการสนับสนุนการส่งผ่าน PCI ในเวอร์ชัน 6.1.0 ^{[ 34 ]}

สำหรับ GPU บางรุ่น ไดรเวอร์การ์ดแสดงผล Nvidia และ AMD พยายามตรวจจับว่า GPU กำลังถูกเข้าถึงโดยเครื่องเสมือนและปิดใช้งานคุณสมบัติ GPU บางส่วนหรือทั้งหมด^{[ 35 ]} NVIDIA เพิ่งเปลี่ยนกฎการจำลองเสมือนสำหรับ GPU สำหรับผู้บริโภคโดยปิดใช้งานการตรวจสอบในไดรเวอร์ GeForce Game Ready เวอร์ชัน 465.xx และเวอร์ชันที่ใหม่กว่า^{[ 36 ]}สำหรับ NVIDIA สถาปัตยกรรมต่างๆ ของ GPU สำหรับเดสก์ท็อปและแล็ปท็อปสำหรับผู้บริโภคสามารถส่งผ่านได้หลายวิธี สำหรับการ์ดกราฟิกเดสก์ท็อป การส่งผ่านสามารถทำได้ผ่าน KVM โดยใช้การกำหนดค่า BIOS แบบดั้งเดิมหรือ UEFI ผ่าน SeaBIOS และ OVMF ตามลำดับ

สำหรับเดสก์ท็อป การ์ดกราฟิกส่วนใหญ่สามารถส่งผ่านได้ แม้ว่าสำหรับการ์ดกราฟิกที่มีสถาปัตยกรรม Pascal หรือเก่ากว่านั้น VBIOS ของการ์ดกราฟิกจะต้องส่งผ่านในเครื่องเสมือนหากใช้ GPU ในการบูตโฮสต์^{[ 37 ]}

สำหรับแล็ปท็อป ไดรเวอร์ NVIDIA จะตรวจสอบการมีอยู่ของแบตเตอรี่ผ่าน ACPI และหากไม่มีแบตเตอรี่ จะมีการส่งคืนข้อผิดพลาด เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ จำเป็นต้องใช้ acpitable ที่สร้างจากข้อความที่แปลงเป็น Base64 เพื่อปลอมแบตเตอรี่และข้ามการตรวจสอบ^{[ 37 ]}

สำหรับกราฟิกการ์ดแล็ปท็อปรุ่น Pascal และรุ่นเก่ากว่านั้น การส่งผ่านภาพ (passthrough) จะแตกต่างกันไปอย่างมาก ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของกราฟิกการ์ด สำหรับแล็ปท็อปที่ไม่มี NVIDIA Optimus เช่น รุ่น MXM การส่งผ่านภาพสามารถทำได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม สำหรับแล็ปท็อปที่มี NVIDIA Optimus และแสดงผลผ่านเฟรมบัฟเฟอร์กราฟิกในตัวของ CPU แทนที่จะใช้เฟรมบัฟเฟอร์ของตัวเอง การส่งผ่านภาพจะซับซ้อนกว่า โดยต้องใช้จอแสดงผลหรือบริการแสดงผลระยะไกล การใช้ Intel GVT-g รวมถึงการรวม VBIOS เข้ากับการกำหนดค่าการบูต เนื่องจาก VBIOS อยู่ใน BIOS ของระบบแล็ปท็อป ไม่ใช่ใน GPU เอง

สำหรับแล็ปท็อปที่มี GPU ที่มี NVIDIA Optimus และมีเฟรมบัฟเฟอร์เฉพาะ การกำหนดค่าอาจแตกต่างกันไป หากสามารถปิด NVIDIA Optimus ได้ การส่งผ่านข้อมูลก็สามารถทำได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม หาก Optimus เป็นการกำหนดค่าเพียงอย่างเดียว ก็เป็นไปได้มากว่า VBIOS จะมีอยู่ใน BIOS ของระบบแล็ปท็อป ซึ่งต้องใช้ขั้นตอนเดียวกันกับการเรนเดอร์แล็ปท็อปบนเฟรมบัฟเฟอร์กราฟิกในตัวเท่านั้น แต่ยังสามารถต่อจอภาพภายนอกได้อีกด้วย^{[ 38 ]}

ในการส่งผ่านอุปกรณ์แบบมีตัวกลางหรือการจำลองเสมือน GPU แบบเต็มรูปแบบ ฮาร์ดแวร์ GPU จะจัดเตรียมบริบทที่มีช่วงหน่วยความจำเสมือนสำหรับแต่ละแขกผ่านIOMMUและไฮเปอร์ไวเซอร์จะส่งคำสั่งกราฟิกจากแขกไปยัง GPU โดยตรง เทคนิคนี้เป็นรูปแบบหนึ่งของการจำลองเสมือนที่ได้รับการสนับสนุนจากฮาร์ดแวร์และให้ประสิทธิภาพใกล้เคียงกับแบบเนทีฟ^{[ b ]}และความแม่นยำสูง หากฮาร์ดแวร์เปิดเผยบริบทเป็นอุปกรณ์เชิงตรรกะแบบเต็มรูปแบบ แขกสามารถใช้ API ใดก็ได้ มิฉะนั้น API และไดรเวอร์จะต้องจัดการความซับซ้อนเพิ่มเติมของบริบท GPU ข้อเสียคืออาจมีการแยกน้อยระหว่างเครื่องเสมือนเมื่อเข้าถึงทรัพยากร GPU ^{[ 1 ]}

เทคโนโลยีซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ต่อไปนี้ใช้การส่งผ่านข้อมูลแบบมีตัวกลาง:

• การเร่งความเร็วของกราฟิกแบบส่งผ่านร่วมเสมือนของ VMware ^{[ a ]} ​​ด้วย Nvidia vGPU ^{[ 42 ]}หรือ AMD MxGPU ^{[ 43 ]}
• Citrix XenServer แชร์ GPU กับ Nvidia vGPU, AMD MxGPU หรือ Intel GVT-g ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Xen ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 31 ]}และKVM ^{[ 46 ] [ 45 ]}พร้อมด้วยIntel GVT-g ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• Thincast Workstation - คุณสมบัติ 3 มิติเสมือนจริง (Direct X 12 และ Vulkan 3D API)

แม้ว่าการเข้าถึง API จากระยะไกลจะใช้งานได้ทั่วไปกับ GPU รุ่นปัจจุบันและรุ่นเก่า แต่การส่งผ่านข้อมูลผ่านตัวกลางนั้นต้องการการสนับสนุนจากฮาร์ดแวร์ ซึ่งมีให้ใช้งานเฉพาะในอุปกรณ์บางรุ่นเท่านั้น

สถาปัตยกรรม GPU มีความซับซ้อนมากและเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และรายละเอียดภายในมักถูกเก็บเป็นความลับ โดยทั่วไปแล้ว การจำลองเสมือน GPU รุ่นใหม่ๆ อย่างสมบูรณ์นั้นเป็นไปไม่ได้ ทำได้เพียงรุ่นเก่าและรุ่นที่เรียบง่ายกว่าเท่านั้น ตัวอย่างเช่นPCemซึ่งเป็นโปรแกรมจำลองเฉพาะของ สถาปัตยกรรม IBM PCสามารถจำลอง อุปกรณ์กราฟิก S3 ViRGE /DX ซึ่งรองรับDirect3D 3 และ3dfx Voodoo2ซึ่งรองรับGlideเป็นต้น^{[ 49 ]}เมื่อใช้การ์ดแสดงผลเสมือนVGAหรือSVGA ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}ระบบปฏิบัติการแขกอาจไม่มีการเร่งความเร็วของกราฟิก 3 มิติ ทำให้มีฟังก์ชันการทำงานขั้นต่ำเพื่ออนุญาตให้เข้าถึงเครื่องผ่านเทอร์มินัลกราฟิก อุปกรณ์ที่จำลองอาจเปิดเผยโหมดกราฟิก 2 มิติพื้นฐานให้กับระบบปฏิบัติการแขกเท่านั้น ตัวจัดการเครื่องเสมือนอาจจัดเตรียมการใช้งาน API ทั่วไปโดยใช้การเรนเดอร์ซอฟต์แวร์เพื่อเปิดใช้งานแอปพลิเคชันกราฟิก 3 มิติบนระบบปฏิบัติการแขก แม้ว่าความเร็วอาจต่ำเพียง 3% ของประสิทธิภาพดั้งเดิมที่เร่งความเร็วด้วยฮาร์ดแวร์ก็ตาม^{[ 1 ] [ 53 ]}

เทคโนโลยีซอฟต์แวร์ต่อไปนี้ใช้การเรนเดอร์ด้วยซอฟต์แวร์เพื่อใช้งาน API กราฟิก:

• ซอฟต์แวร์เรนเดอร์ VMware SVGA 3D ^{[ 54 ]}
• ตัวควบคุมกราฟิกVirtualBox VMSVGA ^{[ 51 ]}
• Citrix XenServer OpenGL Software Accelerator ^{[ 55 ]}
• แพลตฟอร์มการสร้างภาพแรสเตอร์ขั้นสูงของ Windows
• ซอฟต์แวร์เรนเดอร์OpenGL หลัก
• โปรแกรมเรนเดอร์Mesa
• Swift Shader (ใช้งานWebGPU ) ซอฟต์แวร์เรนเดอร์

• การเปรียบเทียบซอฟต์แวร์การจำลองเสมือนแพลตฟอร์ม