2.7 软芯协同的高性能虚拟化底座

虚拟化底座管理物理机的各种硬件资源（如CPU、内存、网卡、磁盘等），并高效地将这些资源划分给多台虚拟机使用。虚拟化底座向上对接多种规格/不同操作系统的虚拟机，向下对接各式各样的硬件算力，提供统一、易扩展的资源管理能力。虚拟化技术现已广泛应用于云、CT、终端等场景。

随着虚拟化技术的更新迭代，虚拟化底座的开销不断减少，但当前虚拟化仍然面临几大问题，如虚拟机和物理机之间存在软硬件语义鸿沟、业务关键路径上的算力开销、缺失异构算力及加速器硬件卸载的能力。

如图2-10所示，通过一个软芯协同的高性能虚拟化底座打造虚拟机极致性能，主要包含三大关键技术：G/H协同优化、虚拟中断卸载和异构算力加速。

图2-10 高性能虚拟化底座

G/H协同优化，即虚拟机Guest和宿主机Host之间通过共享、协商等技术，在虚拟机和宿主机隔离的大框架下实现部分信息共享，最终提升虚拟机的性能。在虚拟机VCPU和宿主机物理CPU绑定的场景下，虚拟机内部的业务运行完全由虚拟机操作系统决定。虚拟拓扑感知调度技术结合虚拟机绑定的物理CPU的分布，给虚拟机构建最优的虚拟VCPU/虚拟NUMA拓扑结构，虚拟机操作系统根据呈现的VCPU拓扑结构实现最优的调度算法，从而降低虚拟机业务时延，提升虚拟机吞吐量。通过VCPU抢占语义和虚拟机Lock语义消除虚拟机操作系统和宿主机操作系统的抢占、Lock锁等语义的鸿沟，从而减少资源竞争开销，提升虚拟机算力线性度。

虚拟中断卸载，基于硬件辅助中断虚拟化架构，把原先由软件模拟实现的中断注入流程卸载到硬件，实现了各类虚拟中断的极速注入。在I/O密集型业务（如Web服务）中，通过加速虚拟设备的中断注入，消除业务关键路径上的虚拟化开销，从而明显提升设备I/O带宽，降低I/O时延。在进程间通信密集型业务（如数据库服务）中，通过Exit-Less核间中断，降低由VCPU退出带来的时延，从而提升虚拟机内调度性能。通过把时钟中断直接注入虚拟机，实现高精度虚拟时钟，大幅提升时延类Benchmark的性能。

异构算力加速技术，通过虚拟化底座对多样性算力资源进行管理，在异构算力空间隔离VCPU，为虚拟机提供矢量加速能力、矩阵加速能力，配合矢量计算加速库、编译器自动矢量化可有效提升视频编解码、科学计算等业务性能；利用VCPU和物理CPU相关标记，减少G/H切换开销，释放硬件极致性能；结合设备直通及硬件SR-IOV技术，直通加速器至虚拟机内部，为虚拟机的业务提供算力卸载能力，配置对应的加速引擎后，可大幅提升Web服务等业务的加解密、压缩和解压缩性能。