VirtIO GPU 개념 설명

VirtIO GPU는 가상 머신(VM)이 호스트 컴퓨터의 그래픽 처리 장치(GPU) 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 해주는 파라버추얼라이제이션(Para-virtualization) 그래픽 표준입니다.

특히 최근에는 Rust와 가상화 기술의 발전으로 기존의 구조를 안전성(Safety), 모듈성(Modularity), 성능(Performance) 중심으로 현대화하는 움직임이 활발합니다.

주요 특징과 기술적 진화는 다음과 같습니다.

1. 구조적 혁신: VMM으로부터의 독립 (vhost-device-gpu) 기존의 VirtIO GPU 구현(C언어 기반)은 QEMU와 같은 가상 머신 모니터(VMM) 내부에 포함되어 있어, 그래픽 관련 버그가 발생하면 VMM 전체의 보안을 위협할 수 있었습니다.

• Rust 기반 독립 프로세스: rust-vmm 프로젝트의 일환으로 개발된 vhost-device-gpu는 Rust로 작성되었으며, VMM과 분리된 독립 프로세스로 실행됩니다.
• vhost-user 프로토콜: VMM(Frontend)과 GPU 백엔드(Backend)가 vhost-user 프로토콜을 통해 소켓으로 통신합니다. 이로 인해 GPU 백엔드가 공격당하거나 충돌하더라도 VMM은 안전하게 보호되는 격리 구조를 갖춥니다.

2. 렌더링 추상화: Rutabaga_gfx 다양한 그래픽 API와 렌더러를 유연하게 지원하기 위해 rutabaga_gfx라는 추상화 계층을 도입했습니다. 이를 통해 VMM 코드를 수정하지 않고도 필요에 따라 렌더러를 교체할 수 있습니다.

• Virglrenderer: OpenGL 기반의 렌더링을 지원하며 리눅스 게스트에 적합합니다.
• Gfxstream: Vulkan 지원 및 안드로이드(Android) 환경에 최적화된 렌더링을 제공합니다.

3. 성능 혁신: 제로 카피(Zero-Copy)와 호스트 가시 메모리 과거에는 게스트가 텍스처를 생성하면 이를 호스트 메모리로 복사하는 과정(CPU 오버헤드)이 필요했습니다. 현대적인 VirtIO GPU는 이를 '호스트 가시 메모리(Host Visible Memory)' 기술로 해결합니다.

• Blob Resources: VIRTIO_GPU_SHM_ID_HOST_VISIBLE 기능을 통해, 게스트가 GPU가 직접 읽을 수 있는 호스트 메모리 영역에 데이터를 바로 씁니다. 이는 불필요한 데이터 복사를 제거하여 Vulkan과 같은 고성능 API 구동을 가능하게 합니다.

4. 주요 활용 사례: 안드로이드 오토모티브와 AVF 이 기술은 특히 **안드로이드 오토모티브(AAOS)**와 **안드로이드 가상화 프레임워크(AVF)**의 핵심 요소입니다.

• 차량용 시스템: 계기판(Cluster)과 인포테인먼트(IVI) 시스템이 하나의 하드웨어 위에서 서로 다른 VM으로 격리되어 실행될 때, VirtIO GPU를 통해 GPU 자원을 안전하게 공유합니다.
• AVF: 안드로이드의 crosvm 하이퍼바이저는 Rust로 작성된 VirtIO GPU 구현체를 사용하여, Microdroid와 같은 보안 VM에 그래픽 기능을 제공합니다.

---

비유로 이해하기

VirtIO GPU의 현대화 과정은 **'미술 학원 운영 방식의 변화'**에 비유할 수 있습니다.

• 과거 (Legacy VirtIO): 학생(Guest VM)이 그림을 그리고 싶으면, **조교(VMM)**에게 붓을 어디로 움직일지 말로 설명해야 했습니다. 조교가 대신 그려주는 방식이라 느리고, 조교가 실수하면 학원 전체가 멈췄습니다.
• 현재 (Modern VirtIO w/ Rust & vhost-user):
  • 독립된 작업실 (vhost-device-gpu): 학생에게 별도의 미술실을 배정해 줍니다. 여기서 물감을 쏟아도(오류 발생), 조교가 있는 교무실(VMM)은 안전합니다.
  • 공유 캔버스 (Host Visible Memory): 학생과 선생님(Host GPU)이 동시에 볼 수 있는 **'투명 캔버스'**를 사용합니다. 학생이 직접 캔버스에 그림을 그리면(Zero-copy), 선생님이 즉시 확인하고 처리하므로 속도가 획기적으로 빨라집니다.