使用NVIDIA DCGM構(gòu)建GPU監(jiān)控解決方案

對于基礎(chǔ)設(shè)施或站點可靠性工程（ SRE ）團(tuán)隊來說，監(jiān)控多個 GPU 對于管理大型 GPU 集群以實現(xiàn) AI 或 HPC 工作負(fù)載至關(guān)重要。 GPU 指標(biāo)允許團(tuán)隊了解工作負(fù)載行為，從而優(yōu)化資源分配和利用率，診斷異常，并提高數(shù)據(jù)中心的整體效率。除了基礎(chǔ)設(shè)施團(tuán)隊之外，無論您是從事 GPU – 加速 ML 工作流的研究人員，還是喜歡了解 GPU 利用率和容量規(guī)劃飽和的數(shù)據(jù)中心設(shè)計師，您應(yīng)該都對指標(biāo)感興趣。

這些趨勢變得更為重要，因為 AI / ML 工作負(fù)載通過使用 Kubernetes 之類的容器管理平臺進(jìn)行容器化和擴(kuò)展。在這篇文章中，我們將概述 NVIDIA 數(shù)據(jù)中心 GPU 經(jīng)理（ DCGM ），以及如何將其集成到諸如 Prometheus 和 Grafana 這樣的開源工具中，從而為 Kubernetes 構(gòu)建一個 GPU 監(jiān)控解決方案。

NVIDIA DCGM 公司

NVIDIA DCGM 公司 是一組用于在基于 Linux 的大規(guī)模集群環(huán)境中管理和監(jiān)視 NVIDIA GPUs 的工具。它是一個低開銷的工具，可以執(zhí)行各種功能，包括主動健康監(jiān)視、診斷、系統(tǒng)驗證、策略、電源和時鐘管理、組配置和記帳。

DCGM 包括用于收集 GPU 遙測的 API。特別感興趣的是 GPU 利用率指標(biāo)（用于監(jiān)視張量核心、 FP64 單元等）、內(nèi)存指標(biāo)和互連流量指標(biāo)。 DCGM 為各種語言（如 C 和 Python ）提供了綁定，這些都包含在安裝程序包中。為了與 Go 作為編程語言流行的容器生態(tài)系統(tǒng)集成，有基于 DCGM API 的 Go 綁定 。存儲庫包括示例和 restapi ，以演示如何使用 Go API 監(jiān)視 GPUs 。去看看 NVIDIA/gpu-monitoring-tools repo ！

導(dǎo)出

監(jiān)控堆棧通常由一個收集器、一個存儲度量的時間序列數(shù)據(jù)庫和一個可視化層組成。一個流行的開源堆棧是 Prometheus ，與 Grafana 一起作為可視化工具來創(chuàng)建豐富的儀表板。普羅米修斯還包括 Alertmanager 來創(chuàng)建和管理警報。 Prometheus 與 kube-state-metrics 和 node_exporter 一起部署，以公開 kubernetesapi 對象的集群級指標(biāo)和節(jié)點級指標(biāo)，如 CPU 利用率。圖 1 顯示了普羅米修斯的一個架構(gòu)示例。

圖 1 參考普羅米修斯建筑。

在前面描述的 Go API 的基礎(chǔ)上，可以使用 DCGM 向 Prometheus 公開 GPU 度量。為此，我們建立了一個名為 dcgm-exporter 的項目。

dcgm-exporter 使用 Go 綁定 從 DCGM 收集 GPU 遙測數(shù)據(jù)，然后為 Prometheus 公開指標(biāo)以使用 http 端點（/metrics）進(jìn)行提取

dcgm-exporter 也是可配置的。您可以使用 .csv 格式的輸入配置文件，自定義 DCGM 要收集的 GPU 指標(biāo)。

Kubernetes 集群中的每個 pod GPU 指標(biāo)

dcgm-exporter 收集節(jié)點上所有可用 GPUs 的指標(biāo)。然而，在 Kubernetes 中，當(dāng)一個 pod 請求 GPU 資源時，您不一定知道節(jié)點中的哪個 GPUs 將被分配給一個 pod 。從 v1 。 13 開始， kubelet 添加了一個設(shè)備監(jiān)視功能，可以使用 pod 資源套接字找到分配給 pod — 的 pod 名稱、 pod 名稱空間和設(shè)備 ID 的設(shè)備。

dcgm-exporter 中的 http 服務(wù)器連接到 kubelet pod resources 服務(wù)器（ /var/lib/kubelet/pod-resources ），以標(biāo)識在 pod 上運(yùn)行的 GPU 設(shè)備，并將 GPU 設(shè)備 pod 信息附加到收集的度量中。

圖 2 GPU 在 Kubernetes 使用 dcgm exporter 進(jìn)行遙測。

設(shè)置 GPU 監(jiān)控解決方案

下面是一些設(shè)置 dcgm-exporter 的示例。如果您使用的是 NVIDIA GPU 操作員 ，那么 dcgm-exporter 是作為操作員的一部分部署的組件之一。

文檔包括 建立 Kubernetes 集群 的步驟。為了簡潔起見，請快速前進(jìn)到使用 NVIDIA 軟件組件運(yùn)行 Kubernetes 集群的步驟，例如，驅(qū)動程序、容器運(yùn)行時和 Kubernetes 設(shè)備插件。您可以使用 Prometheus Operator 來部署 Prometheus ，它還可以方便地部署 Grafana 儀表板。在本文中，為了簡單起見，您將使用單節(jié)點 Kubernetes 集群。

設(shè)置 普羅米修斯運(yùn)營商目前提供的社區(qū)頭盔圖 時，必須遵循 將 GPU 遙測技術(shù)集成到 Kubernetes 中 中的步驟。必須為外部訪問公開 Grafana ，并且必須將 prometheusSpec.serviceMonitorSelectorNilUsesHelmValues 設(shè)置為 false 。

簡而言之，設(shè)置監(jiān)視包括運(yùn)行以下命令：

$ helm repo add prometheus-community \
https://prometheus-community.github.io/helm-charts

$ helm repo update
$ helm inspect values prometheus-community/kube-prometheus-stack > /tmp/kube-prometheus-stack.values
# Edit /tmp/kube-prometheus-stack.values in your favorite editor
# according to the documentation
# This exposes the service via NodePort so that Prometheus/Grafana
# are accessible outside the cluster with a browser
$ helm install prometheus-community/kube-prometheus-stack \
--create-namespace --namespace prometheus \
--generate-name \
--set prometheus.service.type=NodePort \
--set prometheus.prometheusSpec.serviceMonitorSelectorNilUsesHelmValues=false

此時，您的集群應(yīng)該看起來像下面這樣，其中所有的 Prometheus pods 和服務(wù)都在運(yùn)行：

$ kubectl get pods -A
NAMESPACE NAME READY STATUS RESTARTS AGE
kube-system calico-kube-controllers-8f59968d4-zrsdt 1/1 Running 0 18m
kube-system calico-node-c257f 1/1 Running 0 18m
kube-system coredns-f9fd979d6-c52hz 1/1 Running 0 19m
kube-system coredns-f9fd979d6-ncbdp 1/1 Running 0 19m
kube-system etcd-ip-172-31-27-93 1/1 Running 1 19m
kube-system kube-apiserver-ip-172-31-27-93 1/1 Running 1 19m
kube-system kube-controller-manager-ip-172-31-27-93 1/1 Running 1 19m
kube-system kube-proxy-b9szp 1/1 Running 1 19m
kube-system kube-scheduler-ip-172-31-27-93 1/1 Running 1 19m
kube-system nvidia-device-plugin-1602308324-jg842 1/1 Running 0 17m
prometheus alertmanager-kube-prometheus-stack-1602-alertmanager-0 2/2 Running 0 92s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-operator-c4bc5c4d5-f5vzc 2/2 Running 0 98s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-grafana-6b4fc97f8f-66kdv 2/2 Running 0 98s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics-76887bqzv2b 1/1 Running 0 98s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter-rrk9l 1/1 Running 0 98s
prometheus prometheus-kube-prometheus-stack-1602-prometheus-0 3/3 Running 1 92s


$ kubectl get svc -A
NAMESPACE NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
default kubernetes ClusterIP 10.96.0.1  443/TCP 20m
kube-system kube-dns ClusterIP 10.96.0.10  53/UDP,53/TCP,9153/TCP 20m
kube-system kube-prometheus-stack-1602-coredns ClusterIP None  9153/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-controller-manager ClusterIP None  10252/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-etcd ClusterIP None  2379/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-proxy ClusterIP None  10249/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-scheduler ClusterIP None  10251/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kubelet ClusterIP None  10250/TCP,10255/TCP,4194/TCP 2m12s
prometheus alertmanager-operated ClusterIP None  9093/TCP,9094/TCP,9094/UDP 2m12s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-alertmanager ClusterIP 10.104.106.174  9093/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-operator ClusterIP 10.98.165.148  8080/TCP,443/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-prometheus NodePort 10.105.3.19  9090:30090/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-grafana ClusterIP 10.100.178.41  80/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics ClusterIP 10.100.119.13  8080/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter ClusterIP 10.100.56.74  9100/TCP 2m18s
prometheus prometheus-operated ClusterIP None  9090/TCP 2m12s

安裝 DCGM-Exporter

下面是如何開始安裝 dcgm-exporter 來監(jiān)視 GPU 的性能和利用率。您可以使用頭盔圖表來設(shè)置 dcgm-exporter 。首先，添加 Helm 回購：

$ helm repo add gpu-helm-charts \
https://nvidia.github.io/gpu-monitoring-tools/helm-charts

$ helm repo update

然后，使用 Helm 安裝圖表：

$ helm install \
 --generate-name \
 gpu-helm-charts/dcgm-exporter

可以使用以下命令觀察展開：

$ helm ls
NAME NAMESPACE REVISION APP VERSION
dcgm-exporter-1-1601677302 default 1 dcgm-exporter-1.1.0 2.0.10
nvidia-device-plugin-1601662841 default 1 nvidia-device-plugin-0.7.0 0.7.0

普羅米修斯和格拉法納的服務(wù)應(yīng)公開如下：

$ kubectl get svc -A
NAMESPACE NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
default dcgm-exporter ClusterIP 10.99.34.128  9400/TCP 43d
default kubernetes ClusterIP 10.96.0.1  443/TCP 20m
kube-system kube-dns ClusterIP 10.96.0.10  53/UDP,53/TCP,9153/TCP 20m
kube-system kube-prometheus-stack-1602-coredns ClusterIP None  9153/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-controller-manager ClusterIP None  10252/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-etcd ClusterIP None  2379/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-proxy ClusterIP None  10249/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kube-scheduler ClusterIP None  10251/TCP 2m18s
kube-system kube-prometheus-stack-1602-kubelet ClusterIP None  10250/TCP,10255/TCP,4194/TCP 2m12s
prometheus alertmanager-operated ClusterIP None  9093/TCP,9094/TCP,9094/UDP 2m12s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-alertmanager ClusterIP 10.104.106.174  9093/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-operator ClusterIP 10.98.165.148  8080/TCP,443/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602-prometheus NodePort 10.105.3.19  9090:30090/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-grafana ClusterIP 10.100.178.41  80:32032/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics ClusterIP 10.100.119.13  8080/TCP 2m18s
prometheus kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter ClusterIP 10.100.56.74  9100/TCP 2m18s
prometheus prometheus-operated ClusterIP None  9090/TCP 2m12s

使用在端口 32032 公開的 Grafana 服務(wù)，訪問 Grafana 主頁。使用普羅米修斯圖表中可用的憑據(jù)登錄到儀表板： prometheus.values 中的 adminPassword 字段。

現(xiàn)在要為 GPU 度量啟動 Grafana 儀表板，請從 數(shù)一數(shù)儀表板。 導(dǎo)入引用的 NVIDIA 儀表板。

使用 DCGM 儀表板

圖 3 參考 NVIDIA Grafana dashboard 。

現(xiàn)在運(yùn)行一些 GPU 工作負(fù)載。為此， DCGM 包括一個名為 dcgmproftester 的 CUDA 負(fù)載生成器。它可以用來生成確定性的 CUDA 工作負(fù)載，用于讀取和驗證 GPU 度量。我們有一個集裝箱化的 dcgmproftester ，可以在 Docker 命令行上運(yùn)行。這個例子生成一個半精度（ FP16 ）矩陣乘法（ GEMM ），并使用 GPU 上的張量核。

產(chǎn)生負(fù)載

要生成負(fù)載，必須首先下載 DCGM 并將其容器化。下面的腳本創(chuàng)建一個可用于運(yùn)行 dcgmproftester 的容器。此容器可在 NVIDIA DockerHub 存儲庫中找到。

#!/usr/bin/env bash
set -exo pipefail

mkdir -p /tmp/dcgm-docker
pushd /tmp/dcgm-docker

cat > Dockerfile <

	在將容器部署到 Kubernetes 集群之前，請嘗試在 Docker 中運(yùn)行它。在本例中，通過指定-t 1004，使用張量核心觸發(fā) FP16 矩陣乘法，并運(yùn)行測試-d 45（ 45 秒）。您可以通過修改-t參數(shù)來嘗試運(yùn)行其他工作負(fù)載。
$ docker run --rm --gpus all --cap-add=SYS_ADMIN nvidia/samples:dcgmproftester-2.0.10-cuda11.0-ubuntu18.04 --no-dcgm-validation -t 1004 -d 45

Skipping CreateDcgmGroups() since DCGM validation is disabled
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MAX_THREADS_PER_MULTIPROCESSOR: 1024
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MULTIPROCESSOR_COUNT: 40
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MAX_SHARED_MEMORY_PER_MULTIPROCESSOR: 65536
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_COMPUTE_CAPABILITY_MAJOR: 7
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_COMPUTE_CAPABILITY_MINOR: 5
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_GLOBAL_MEMORY_BUS_WIDTH: 256
CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MEMORY_CLOCK_RATE: 5001000
Max Memory bandwidth: 320064000000 bytes (320.06 GiB)
CudaInit completed successfully.

Skipping WatchFields() since DCGM validation is disabled
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (27605.2 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28697.6 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28432.8 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28585.4 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28362.9 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28361.6 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28448.9 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28311.0 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28210.8 gflops)
TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28304.8 gflops)

	將此計劃到您的 Kubernetes 集群上，并在 Grafana 儀表板中查看適當(dāng)?shù)亩攘俊Ｏ旅娴拇a示例使用容器的適當(dāng)參數(shù)構(gòu)造此 podspec ：
cat << EOF | kubectl create -f -
?apiVersion: v1
?kind: Pod
?metadata:
?? name: dcgmproftester
?spec:
?? restartPolicy: OnFailure
?? containers:
?? - name: dcgmproftester11
???? image: nvidia/samples:dcgmproftester-2.0.10-cuda11.0-ubuntu18.04
???? args: ["--no-dcgm-validation", "-t 1004", "-d 120"]
???? resources:
?????? limits:
????????? nvidia.com/gpu: 1
???? securityContext:
?????? capabilities:
????????? add: ["SYS_ADMIN"]
?
EOF

	您可以看到dcgmproftesterpod 正在運(yùn)行，然后在 Grafana 儀表板上顯示度量。 GPU 利用率（ GrActive ）已達(dá)到 98% 的峰值。您還可能會發(fā)現(xiàn)其他指標(biāo)很有趣，比如 power 或 GPU 內(nèi)存。
$ kubectl get pods -A
NAMESPACE NAME READY STATUS RESTARTS AGE
...
default dcgmproftester 1/1 Running 0 6s
...

	

	

	圖 4 GPU 運(yùn)行 dcgmproftest 時在 Grafana 中的利用率。

	驗證 GPU 指標(biāo)

	DCGM 最近增加了一些設(shè)備級指標(biāo)。其中包括細(xì)粒度的 GPU 利用率指標(biāo)，可以監(jiān)視 SM 占用率和 Tensor 核心利用率。為了方便起見，當(dāng)您使用 Helm 圖表部署 dcgm-exporter 時，它被配置為默認(rèn)收集這些度量。

	圖 5 顯示了在 Prometheus 儀表板中驗證 dcgm-exporter 提供的評測指標(biāo)。

	

	

	圖 5 GPU 在普羅米修斯儀表板中分析 DCGM 的指標(biāo)。

	您可以定制 Grafana 儀表板以包含 DCGM 的其他指標(biāo)。在本例中，通過編輯 repo 上可用的 JSON 伯爵夫人 文件，將 Tensor 核心利用率添加到儀表板中。你也可以使用網(wǎng)頁界面。請隨意修改儀表板。

	此儀表板包括 Tensor 核心利用率。您可以進(jìn)一步自定義它。重新啟動 dcgmproftester 容器后，您可以看到 T4 上的張量核心已達(dá)到約 87% 的利用率：

	

	

	圖 6 Grafana 的張量核心利用率（百分比）。

	請隨意修改 JSON 儀表板，以包含 DCGM 支持的其他 GPU 指標(biāo)。支持的 GPU 指標(biāo)在 DCGM DCGM API Documentation 中可用。通過使用 GPU 指標(biāo)作為定制指標(biāo)和普羅米修斯適配器，您可以使用 臥式吊艙自動標(biāo)度機(jī) 根據(jù) GPU 利用率或其他指標(biāo)來縮放吊艙的數(shù)量。

	概要

	要從 dcgm-exporter 開始，并將監(jiān)視解決方案放在 Kubernetes 上，無論是在前提還是在云中，請參閱 將 GPU 遙測技術(shù)集成到 Kubernetes 中 ，或?qū)⑵洳渴馂?NVIDIA GPU 操作員 的一部分。

	關(guān)于作者

	Pramod Ramarao 是 NVIDIA 加速計算的產(chǎn)品經(jīng)理。他領(lǐng)導(dǎo) CUDA 平臺和數(shù)據(jù)中心軟件的產(chǎn)品管理，包括容器技術(shù)。

	Ahmed Al-Sudani 是 NVIDIA DCGM 團(tuán)隊的軟件工程師。他致力于在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中實現(xiàn)健康和性能監(jiān)控。

	Swati Gupta 是 NVIDIA 的系統(tǒng)軟件工程師，她在 OpenShift 云基礎(chǔ)設(shè)施、協(xié)調(diào)和監(jiān)控方面工作。她專注于在容器編排系統(tǒng)（如 Kubernetes 、 GPU 和 Docker ）中啟用 GPU - 加速的 DL 和 AI 工作負(fù)載。

	審核編輯：郭婷