news 2025/12/25 4:31:04

K8S系列之7.2:异构计算(GPU与vGPU在K8S中的管理与应用)

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张小明

前端开发工程师

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K8S系列之7.2:异构计算(GPU与vGPU在K8S中的管理与应用)

在AI时代,GPU已成为企业最宝贵的计算资源之一。如何在Kubernetes中高效管理、调度和共享这些昂贵的异构计算资源,是每个云原生AI平台必须解决的核心问题。

引言:AI计算的新挑战

传统GPU使用模式的痛点:

  • 资源孤岛:GPU服务器独立管理,无法形成资源池
  • 利用率低下:单个任务无法充分利用整卡资源,平均GPU利用率不到30%
  • 调度困难:手动分配GPU,缺乏统一的调度和排队机制
  • 成本高昂:A100/H100等高端GPU单卡成本数万到数十万

Kubernetes GPU管理的价值:

  • 资源池化:将分散的GPU资源统一管理,形成共享资源池
  • 弹性伸缩:根据AI任务需求动态分配和释放GPU资源
  • 成本优化:通过vGPU切分和混部提升资源利用率
  • 标准化运维:统一的监控、运维和故障处理机制

一、Kubernetes GPU基础架构

1.1 设备插件(Device Plugin)机制

调度流程
Kubernetes节点
1. 发现设备
2. 健康检查
3. 注册资源
4. 上报资源
5. 调度决策
6. 分配设备
7. 设备准备
调度器
API Server
扩展资源注册
设备插件接口
kubelet
Device Plugin
GPU硬件
NVIDIA驱动
容器
Container Runtime

1.2 NVIDIA Device Plugin部署

基础部署配置
# nvidia-device-plugin-daemonset.yamlapiVersion:apps/v1kind:DaemonSetmetadata:name:nvidia-device-plugin-daemonsetnamespace:kube-systemlabels:k8s-app:nvidia-device-pluginspec:updateStrategy:type:RollingUpdaterollingUpdate:maxUnavailable:1selector:matchLabels:k8s-app:nvidia-device-plugintemplate:metadata:labels:k8s-app:nvidia-device-pluginspec:priorityClassName:system-node-criticaltolerations:-key:CriticalAddonsOnlyoperator:Exists-key:nvidia.com/gpuoperator:Existseffect:NoSchedulenodeSelector:# 仅在有GPU的节点上运行nvidia.com/gpu.present:"true"containers:-image:nvcr.io/nvidia/k8s-device-plugin:v0.14.1name:nvidia-device-plugin-ctrsecurityContext:allowPrivilegeEscalation:falsecapabilities:drop:["ALL"]volumeMounts:-name:device-pluginmountPath:/var/lib/kubelet/device-plugins-name:nvidia-drivermountPath:/usr/local/nvidiareadOnly:trueenv:-name:PASS_DEVICE_SPECSvalue:"true"-name:FAIL_ON_INIT_ERRORvalue:"true"-name:NVIDIA_VISIBLE_DEVICESvalue:"all"-name:NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIESvalue:"compute,utility"-name:LD_LIBRARY_PATHvalue:/usr/local/nvidia/lib:/usr/local/nvidia/lib64resources:requests:cpu:50mmemory:100Milimits:cpu:100mmemory:300Mivolumes:-name:device-pluginhostPath:path:/var/lib/kubelet/device-plugins-name:nvidia-driverhostPath:path:/usr/lib/modules/nvidia
节点标签与污点
# 标记GPU节点kubectl label nodes<node-name>nvidia.com/gpu.present=true kubectl label nodes<node-name>accelerator=nvidia-tesla-a100 kubectl label nodes<node-name>gpu-type=a100 kubectl label nodes<node-name>gpu-memory=40Gi# 添加污点(可选)kubectl taint nodes<node-name>nvidia.com/gpu=true:NoSchedule# 查看节点GPU信息kubectl describe node<node-name>|grep-A10"Capacity"

1.3 GPU资源请求与限制

# gpu-pod-example.yamlapiVersion:v1kind:Podmetadata:name:gpu-podlabels:app:ai-trainingspec:# 节点选择nodeSelector:accelerator:nvidia-tesla-a100# 容忍GPU污点tolerations:-key:nvidia.com/gpuoperator:Existseffect:NoSchedulecontainers:-name:cuda-containerimage:nvidia/cuda:12.1.0-base-ubuntu22.04command:["/bin/bash"]args:["-c","nvidia-smi && sleep infinity"]# GPU资源请求resources:limits:# 请求整张GPU卡nvidia.com/gpu:1# 也可以指定具体型号# nvidia.com/gpu.a100: 1# nvidia.com/gpu.v100: 2# GPU内存限制(需要MIG或vGPU)# nvidia.com/gpumem: 10Gi# 其他资源cpu:"4"memory:"16Gi"requests:nvidia.com/gpu:1cpu:"2"memory:"8Gi"# 安全上下文(需要特权才能访问GPU)securityContext:privileged:true# 环境变量env:-name:NVIDIA_VISIBLE_DEVICESvalue:"all"-name:NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIESvalue:"compute,utility,graphics,video"# 挂载NVIDIA驱动volumeMounts:-name:nvidia-drivermountPath:/usr/local/nvidiareadOnly:truevolumes:-
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