Опыт использования графических карт NVIDIA GRID при работе с системами 3D-моделирования Autodesk на виртуальном рабочем месте

Виталий Гордиенко
Магистрант кафедры машин и технологии литейного производства факультета авиационно-технологических систем, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
Максим Иванцов
Студент кафедры безопасности производства и промышленной экологии факультета защиты в чрезвычайных ситуациях, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
Булат Мухаметшин
Студент кафедры высокопроизводительных вычислительных технологий и систем общенаучного факультета, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
Артур Юлдашев
Старший преподаватель кафедры высокопроизводительных вычислительных технологий и систем общенаучного факультета, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
Лилия Юлдашева
Ассистент кафедры технологии машиностроения факультета авиационно-технологических систем, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)

В статье рассмотрен опыт пилотной эксплуатации тестового стенда, оснащенного графическими картами NVIDIA GRID, на котором средствами программного обеспечения Citrix была развернута виртуальная инфраструктура для удаленной работы с ресурсоемкими графическими приложениями. Апробация новой технологии виртуализации проведена на учебных проектах, выполненных в системах 3D-моделирования Autodesk Inventor и 3ds Max.

В 2013 году на рынке появились специализированные графические карты компании NVIDIA под названием GRID K1 и K2. Главной особенностью карт NVIDIA GRID [1] является возможность их применения в виртуализованных средах Citrix, VMware и Microsoft. Данная технология позволяет создавать виртуальные рабочие места для работы в ресурсоемких графических приложениях, в частности для 3D­моделирования в системах автоматизированного проектирования, что ранее было проблематично в связи с ограниченной поддержкой графических карт в виртуализованных средах. Важно, что ведущие разработчики САПР начали сертификацию своих программных комплексов (AutoCAD, Inventor, SolidWorks, NX и др.[2]) для использования на виртуальных рабочих местах с NVIDIA GRID. Кроме того, недавно компании Autodesk, Amazon WebServices, OTOY и NVIDIA запустили облачный доступ к средствам 3D­моделирования на основе «инстансов», оснащенных указанными графическими картами.

Описание применяемых технологий

В соответствии с техническими спецификациями [3] карта GRID K1 включает четыре графических процессора (GPU) на базе архитектуры Kepler уровня начальных Quadro K600, а GRID K2 — два GPU уровня профессиональных Quadro K5000. В настоящее время модули NVIDIA GRID поставляются в составе серверов всех именитых производителей серверного оборудования — от IBM до Super Micro, причем в зависимости от модели на сервер может быть установлено от одного до четырех модулей NVIDIA GRID.

Система виртуализации Citrix XenServer, которая сегодня наиболее полно интегрирована с NVIDIA GRID, в связке с XenDesktop позволяет реализовать две основные модели доступа к ресурсам сервера, оснащенного графическими картами: подключение к виртуальной машине выделенного GPU (технология NVIDIA GPU pass­through) и разделение ресурсов GPU множеством виртуальных машин (технология vGPU). Последняя модель позволяет разделить один физический графический процессор на множество виртуальных с пониженными характеристиками. Например, на базе платы K2 можно организовать до 16 виртуальных GPU и распределить их между виртуальными машинами. Таким образом, NVIDIA GRID можно гибко конфигурировать в зависимости от графических требований виртуальных рабочих мест.

Характеристики тестового стенда NVIDIA GRID

В УГАТУ кафедрой высокопроизводительных вычислительных технологий и систем совместно с управлением информационных технологий был организован тестовый стенд для исследования применимости технологии NVIDIA GRID в рамках учебного процесса и проектных работ. Тестовый стенд развернут на базе сервера IBM iData Plex DX360 M4, оснащенного двумя центральными процессорами (CPU) Intel Xeon E5­2670, двумя графическими платами NVIDIA GRID K2, 128 Гбайт оперативной памяти и двумя SSD­дисками по 60 Гбайт, объединенными в RAID0. Наличие двух CPU Intel и четырех GPU NVIDIA (в составе двух плат GRID K2) позволяет организовать на базе тестового стенда от четырех рабочих мест с выделенными GPU (для продвинутых пользователей, предъявляющих повышенные требования к производительности графической подсистемы) до 32 рабочих мест с виртуальными GPU.

Рис. 1. Сборка «Тиски пневматические» (а) и трехмерный массив однотипных деталей (б) (Autodesk Inventor 2013). Кафедра ТМ

В рамках исследования оценивались производительность и стабильность виртуального рабочего места, подключенного к выделенному GPU. Для этого на сервере средствами системы виртуализации Citrix XenServer в связке с XenDesktop была развернута виртуальная инфраструктура, включающая две сервисные виртуальные машины с ОС Windows Server 2008 R2 и пользовательскую виртуальную машину с ОС Windows 7 (четыре vCPU, 32 Гбайт оперативной памяти, один выделенный GPU).

Отзывы пользователей о работе на виртуальном рабочем месте

В целях апробации на тестовом стенде различных учебных проектов к пользовательской «виртуалке» предоставлялся удаленный доступ для заинтересованных преподавателей и студентов. В исследовании приняли участие представители кафедр авиационной теплотехники и энергетики (АТиТ), машин и технологии литейного производства (МиТЛТ), технологии машиностроения (ТМ), а также безопасности производства и промышленной экологии (БПиПЭ) с учебными проектами, выполненными в пакетах трехмерного моделирования Autodesk AutoCAD, Inventor и 3ds Max.

Доступ к виртуальной машине был организован средствами Citrix StoreFront, что предполагает выход на удаленный рабочий стол через браузер. Пользователи отметили простоту получения доступа к виртуальной машине и малое время инициализации удаленного сеанса. Относительно долго происходило лишь первое подключение из­за установки необходимого для организации удаленной сессии приложения CitrixReciever. Пользователи подключались к тестовому стенду с разных компьютеров, характеристики которых приведены в табл. 1, из различных точек университета. С одной стороны, это показало возможность организации высокопроизводительного виртуального рабочего места при использовании в качестве терминалов не самых современных компьютеров (на базе процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Pentium D и т.п.), а с другой стороны, относительно невысокие требования к пропускной способности сети (достаточно 10 Мбит/c).

На рис. 1а изображена модель слесарных тисков с пневмоприводом, построенная в пакете Autodesk Inventor. Подобные сборки выполняют студенты в рамках расчетно­графических работ по дисциплине «Графическое моделирование в САПР ТП». Во время работы с данной сборкой на локальном компьютере PC1 (Intel Core i3­2100, NVIDIA GeForce GT 440) при тонированном отображении появляются дефекты в виде нечеткости отображения ребер; при изменении положения сборки в рабочем пространстве (в реалистичном стиле с интерактивной трассировкой лучей) возникает сильная рябь. Отмечено, что на виртуальном рабочем месте скорость трассировки в два­три раза выше и дефекты отображения несущественны.

На рис. 1б изображена тестовая сборка, представленная массивом деталей с наложенным рельефом и множеством отверстий. Работа со сборкой, состоящей из более 1000 деталей, на том же локальном компьютере практически невозможна: ощущается тяжесть сборки, трудно работать с командами панорамирования, поворота и масштабирования; возникают существенные задержки при отображении, размытость изображений. Виртуальное рабочее место стабильно обеспечивает более высокую производительность: существенно ускоряется работа с 3D­моделью при выполнении операций вращения и масштабирования; отклик происходит моментально, задержки в отображении практически не ощущаются (табл. 2).

Таблица 2. Сравнение времени выполнения некоторых операций на локальном (PC1) и виртуальном (vPC) рабочем месте при работе с проектом, изображенным на рис. 1б

Таблица 3. Сравнение времени выполнения некоторых операций на локальном (NB) и виртуальном (vPC) рабочем месте при работе с проектом, изображенным на рис. 3

В следующем эксперименте на тестовом стенде магистрантом кафедры МиТЛТ создавалась пробная модель отливки, напоминающая звено кривошипно­шатунного механизма, с литниково­питающей системой и стержнем (рис. 2). Подключение осуществлялось с персонального компьютера PC2 на базе CPU Intel Core 2 Duo E7500. Пользователи отметили стабильное соединение: создавалось впечатление, что все происходит как на хорошем стационарном компьютере. Кроме того, была отмечена высокая производительность на графических операциях, достаточная для конструкторской деятельности.

Рис. 2. Модель отливки (Autodesk Inventor 2013). Кафедра МиТЛТ

Рассмотрим еще один проект, выполненный студентом кафедры БПиПЭ в рамках курсового проектирования в среде 3ds Max. Целью данного проекта являлась демонстрация характера разрушений при столкновении самолета со зданиями Уфимского аэропорта. Проект характеризуется высокой сложностью (более 1,5 млн полигонов), поэтому как на локальном, так и на виртуальном рабочем месте наблюдалось «подтормаживание» при быстром вращении моделей в видовом окне для некоторых режимов отображения. Тем не менее была отмечена высокая производительность системы с NVIDIA GRID относительно локального компьютера NB (Intel Core­i7 950, NVIDIA GeForce GTX 460) на различных операциях визуализации и расчетов. Это проявилось не только в повышении интерактивности при работе с моделью, но и в снижении времени, требуемого на рендеринг изображений (рис. 3) в высоком разрешении (табл. 3).

Наряду с рассмотренными пакетами Autodesk положительный опыт работы на тестовом стенде был получен в программном продукте для проектирования объектов инфраструктуры AutoCAD Civil 3D, а также в ресурсоемком программном комплексе геологического моделирования Roxar RMS.

Рис. 3. Кадры моделирования столкновения самолета со зданиями (Autodesk 3ds Max 2014). Кафедра БПиПЭ

Выводы

Подытоживая вышесказанное, назовем возможные способы применения виртуализованных рабочих мест на базе технологии NVIDIA GRID в среде университета:

• проведение демонстраций «тяжелых» проектов в рамках занятий и презентаций;
• использование виртуального рабочего места для проектных работ как альтернатива высокопроизводительной рабочей станции;
• организация виртуального учебного класса, используемого различными кафедрами в режиме разделения времени.

Планируется масштабирование развернутой системы, проведение нагрузочных тестов и ввод системы в эксплуатацию в рамках учебного процесса и проектных работ. 

Благодарности

Благодарим за оказанную поддержку преподавателей УГАТУ: доцента кафедры БПиПЭ
Р.Г. Ахтямова, доцента кафедры АТиТ
Н.С. Сенюшкина, старшего преподавателя кафедры МиТЛТ В.В. Смирнова.

Литература

1. Технология NVIDIA GRID — облачные игры и вычисления по запросу. http://www.nvidia.ru/object/cloud­computing­ru.html
2. NVIDIA GRID Remote Workstation Certifications. http://www.nvidia.ru/content/cloud­computing/pdf/GRID_Certifications.pdf
3. Карты NVIDIA GRID. http://www.nvidia.ru/object/grid­vdi­graphics­cards­ru.html

САПР и графика 2`2014