(一)  背景资料

GPU就是图形处理器，是Graphics Processing Unit的缩写。电脑显示器上显示的图像，在显示在显示器上之前，要经过一些列处理，这个过程有个专有的名词叫“渲染" ，以前计算机上是没有GPU的，都是通过CPU来进行“渲染”处理的，这些涉及到“渲染”的计算工作非常耗时，占用了CPU的大部分时间。之后出现了GPU，是专门为了实现“渲染”这种计算工作的，用来将CPU解放出来，GPU是专为执行复杂的数学和几何计算而设计的，这些计算是“渲染”所必需的。

下面看看百度百科上CPU同GPU的对比图，其中绿色的是计算单元：

可以看出来GPU有大量的计算单元，所以GPU是专门为“渲染”这种计算工作设计的。

(二)  应用领域

最开始同GPU相关的应用只是简单地停留在图形相关应用上，比如游戏中3D图形“渲染”等图像处理应用，现在GPU的应用已经非常广泛的，在游戏、娱乐、科研、医疗、互联网等涉及到大规模计算的领域都有GPU应用的存在，比如高性能计算应用、机器学习应用、人工智能应用、自动驾驶应用、虚拟现实应用、自然语言处理应用等等。

1、下面看看Nvidia提供的深度学习领域使用GPU的分析结果：

可以看出来从2013年到2015年在深度学习领域呈现出爆发性增长的趋势。

2、下面看看Nvidia提供的资料：

使用GPU来实现深度学习应用后，在自动驾驶、医疗诊断和机器学习三方面效率提高的十分明显。

(三)  Kubernetes 1.3中支持GPU的实现

在kubernetes1.3中提供了对Nvidia品牌GPU的支持，在kubernetes管理的集群中每个节点上，通过将原有的Capacity和Allocatable变量进行扩展，增加了一个针对Nvidia品牌GPU的α特性：alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu。其中Capacity变量表示每个节点中实际的资源容量，包括cpu、memory、storage、alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu，而Allocatable变量表示每个节点中已经分配的资源容量，同样包括包括cpu、memory、storage、alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu。

在启动kubelet的时候，通过增加参数--experimental-nvidia-gpu来将带有GPU的节点添加到kubernetes中进行管理。这个参数experimental-nvidia-gpu用来告诉kubelet这个节点中Nvidia品牌GPU的个数，如果为0表示没有Nvidia品牌GPU，如果不增加这个参数，那么系统默认为这个节点上没有Nvidia品牌GPU。

当节点上安装有多块Nvidia品牌GPU的时候，参数experimental-nvidia-gpu是可以输入大于1的数值的，但是对于kubernetes1.3这个版本，GPU还是个α特性，在代码中参数experimental-nvidia-gpu其实只支持两个值，分别是0和1，我们通过下面代码就可以看出来：

在运行docker的时候，需要映射节点上的设备到docker中，这段代码是在告诉docker，只映射第一块Nvidia品牌GPU。通过上面代码可以看出来，在kubernetes1.3中，GPU这个α特性，参数experimental-nvidia-gpu其实只支持两个值，分别是0和1。通过上面代码也可以看出来，为什么在kubernetes1.3中只支持Nvidia品牌GPU，对于不同品牌的GPU，映射到linux操作系统里面有着不同的设备路径，需要针对不同的GPU品牌分别进行实现。

(四)  Kubernetes 1.6中支持GPU的实现

在kubernetes1.6中更全面的提供了对Nvidia品牌GPU的支持，保留了kubernetes1.3中针对Nvidia品牌GPU的α特性：alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu，但是在启动kubelet的时候，去掉了参数--experimental-nvidia-gpu，改成了通过配置Accelerators为true来启动这个α特性，完整的启动参数是--feature-gates="Accelerators=true"。

在kubernetes1.3中只能利用节点上的一颗NvidiaGPU，但是在kubernetes1.6中会自动识别节点上的所有Nvidia GPU，并进行调度。

从上面代码中就可以看出来，在1.6中可以获取节点中所有NvidiaGPU设备。

下面是1.6中在kubelet中增加的Nvidia GPU相关结构体：

在nvidiaGPUManager这个结构体中，allGPUs变量表示这个节点上所有的GPU信息；allocated变量表示这个节点上已经被分配使用的GPU信息，这个allocated变量是一个podGPUs结构体变量，用来表示POD同已使用GPU的对应关系；dockerClient变量是docker接口变量，用来表示所有使用GPU的docker；activePodsLister变量表示这个节点上所有活动状态的POD，通过这个变量，可以释放已经处于终止状态POD所绑定的GPU资源。

在kubernetes中Nvidia GPU这个特性只是在容器是docker的时候才生效，如果容器使用的是rkt，是无法使用到Nvidia GPU的。

在1.6中可以参照下面样例使用Nvidia GPU：

可以看到，在1.6中使用GPU的时候，不同docker之间是无法共享GPU的，也就是说每个docker都会独占整个GPU，而且其实还需要kubernetes集群中所有节点上面的NvidiaGPU类型都是相同的，如果在一个集群中有的不同节点上面的Nvidia GPU类型不同，那么还需要给调度器配置节点标签和节点选择器，用来区分不同Nvidia GPU类型的节点。

在节点启动时，可以指明Nvidia GPU类型，并且作为节点标签传递给kubelet，如下所示：

在使用的时候，可以参考下面样例：

在这个样例中，利用到了节点亲和性规则，保证POD只能使用GPU类型是"TeslaK80"或"Tesla P100"的节点。

如果已经在节点上安装了CUDA(Compute UnifiedDevice Architecture，是显卡厂商NVIDIA推出的运算平台。 CUDA?是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。它包含了CUDA指令集架构以及GPU内部的并行计算引擎)，那么POD可以通过hostPath卷插件来访问CUDA库：

(五)  未来展望

以后会逐渐完善这个α特性，让GPU成为kubernetes中原生计算资源的一部分，而且会提高使用GPU资源的方便性，还会让kubernetes自动确保使用GPU的应用可以达到最佳性能。

随着机器学习的火热，为了支撑各种以GPU为主的机器学习计算平台，相信kubernetes在GPU处理上还会继续快速完善，逐渐成为机器学习的底层编排架构。

Kubernetes1.6新特性：全面支持多颗GPU