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精准分割 - 深入解析 Kubernetes 中的 NVIDIA Multi-Instance GPU (MIG)

news 来源：原创 2025/4/22 15:23:37

精准分割 - 深入解析 Kubernetes 中的 NVIDIA Multi-Instance GPU (MIG)

我们知道 Kubernetes 可以管理和分配 GPU 资源给 Pod。但标准的做法通常是将一整块物理 GPU 分配给一个 Pod 独占。对于 NVIDIA A100、H100 这样的“性能怪兽”来说，很多时候（尤其是推理任务或开发测试）一个 Pod 根本用不满整块卡的算力，这就造成了“大马拉小车”的资源浪费和成本空耗。

有没有办法像切蛋糕一样，把一块大 GPU 精准地分割成几小块，并且每一小块都有自己独立的资源，互不干扰呢？NVIDIA 给出的答案就是 Multi-Instance GPU (MIG)！

MIG 核心概念

MIG 是 NVIDIA 在 Ampere 架构及更新的数据中心 GPU（如 A100, H100）上引入的一项硬件级分区技术。它不是简单的软件模拟，而是实实在在地在硬件层面动了“手术”：

硬件分区：MIG 可以将一块物理 GPU 安全地分割成最多 7 个独立的 GPU 实例 (GPU Instance, GI)。
资源隔离：每个 GI 都拥有自己专属且隔离的计算引擎 (Streaming Multiprocessors - SMs 或 GPU Processing Clusters - GPCs)、显存、显存控制器、二级缓存以及显存带宽。
性能可预测：由于是硬件隔离，一个 GI 上的高负载工作不会影响同一物理 GPU 上其他 GI 的性能。这意味着每个 GI 都能获得稳定、可预测的性能和延迟。显存也是完全隔离的，不用担心被“邻居”挤爆。
计算实例 (Compute Instance, CI)：在 GI 之上，还有一个 CI 的概念。CI 决定了 GI 内的计算资源（如 SMs）如何被访问和管理。对于在 Kubernetes 中使用，我们通常为每个创建的 GI 自动创建一个对应的 CI，让 K8s Pod 可以直接使用这个 GI 的全部能力。

类比：再次祭出那个比喻！把支持 MIG 的物理 GPU 看作一台超强物理服务器。启用 MIG 就像在这台服务器上安装了硬件级虚拟化软件 (Hypervisor)。然后，你可以创建出多个独立的“GPU 虚拟机”（即 GI + CI）。每个“GPU 虚拟机”都有自己保证的 CPU (计算单元)、内存 (显存) 和网络带宽 (显存带宽)，彼此之间井水不犯河水。

MIG 实例配置文件与命名

MIG 分割不是随意的，NVIDIA 定义了一系列预设的“实例配置文件”（Instance Profiles）。你需要根据这些配置文件来创建 GI。

命名规则：配置文件名通常是 mig-<计算资源片数>g.<显存大小>gb。这里的 g 代表计算资源的切片单位（比如 GPC 或 SM 的一部分），gb 是分配到的显存容量。
- 以 NVIDIA A100 40GB 为例，常见的配置文件有：
  - mig-1g.5gb
  - mig-2g.10gb
  - mig-3g.20gb
  - mig-7g.40gb (接近整卡)
- NVIDIA A100 80GB 则有更多组合，如 mig-1g.10gb, mig-2g.20gb, …, mig-7g.80gb。
- H100 等新卡有其自己的一套配置文件。
组合规则：一块物理 GPU 可以同时创建多个 GI，甚至可以是不同配置文件的组合，但必须遵循硬件布局约束。例如，某些配置文件只能放在特定的 GPC 组里。创建实例时 nvidia-smi 会自动检查规则。
查询可用配置：后面我们会看到如何用 nvidia-smi 命令查询当前 GPU 支持哪些配置文件。建议查阅 NVIDIA 官方文档获取最权威的兼容列表。

节点端配置实战 (Node-Level Configuration Hands-On)

这是使用 MIG 的关键和前提，需要在 GPU 节点上拥有 root 权限，并使用 nvidia-smi 命令行工具进行操作。

重要提示：更改 MIG 模式或创建/销毁 MIG 实例前，务必停止所有正在使用该物理 GPU 的应用程序或进程（包括 K8s Pod），否则命令可能会失败或导致不稳定。

1. 查询 GPU 信息

首先，确认你的 GPU 型号以及当前的 MIG 状态。

命令：列出系统中的 GPU 设备
```
nvidia-smi -L
```
预期输出示例 (假设有一块 A100)：
```
GPU 0: NVIDIA A100-SXM4-40GB (UUID: GPU-xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx)
```
- 解释：
  - GPU 0: 系统识别到的 GPU 索引号 (Index)。
  - NVIDIA A100-SXM4-40GB: GPU 的具体型号。确认是支持 MIG 的型号（如 A100, H100）。
  - UUID: 该 GPU 的唯一标识符。
命令：查询 GPU 的详细信息，特别是 MIG 相关状态