設定 - KVMのGPUパススルー

概要

ここでは、Linuxホスト上にlibvirtd + QEMUで仮想マシンを構築して、グラフィックボードやUSBポートを物理PCと同様に使用できるように設定する。

Linuxの欠点の1つは、利用できるソフトウェアがそれほど多くないことである。
最近では、多くのソフトウェアがLinuxに移植されたのは事実であるが、まだまだWindows専用に開発されたソフトウェアが多い。

Linuxでは、これらのWindows専用ソフトウェアを使用するために、以下に示す4つの方法がある。

Wineを使用する。
ただし、Wineは、古いソフトウェアなら機能する場合が多い。
デュアルブートセットアップを使用して、Windows専用ソフトウェアを使用するたびにWindowsをブートする。
ただし、手間が掛かる。
ホストOS型の仮想化ソフトウェアにWindowsの仮想マシンを構築する。
ただし、グラフィック性能が活かせない。
GPUパススルーを備えたWindowsの仮想マシンを使用する。
ハードウェアの前提条件がいくつかある (特定のCPUとGPUでのみ機能する) が、適切なハードウェアがあれば可能である。

基本的な設定の流れは、次のようになる。

CPUの仮想化支援機能(Intel VT-xまたはAMD-Vi)を有効にする
グラフィックボードのパススルー設定
- IOMMUの有効化
- Linuxホストのグラフィックボード無効化
KVM / QEMUのインストール
ゲストOS作成
- 仮想マシンのチューニングを行った後に仮想マシンをインストールする。
グラフィックボードのパススルー
USBデバイスのパススルー設定を行う。
または、SynergyあるいはBarrier (開発停止) を使用する。

Synergyのインストールは、インストール - マウス・キーボード共有ソフトウェアのページを参照すること。

ここでは、実際に設定を行うPCの環境は、以下の通りである。

CPU
Ryzen 3900X
M/B
GIGABYTE X570 UD(BIOS F37e)
GPU 1
玄人志向 Radeon RX550 LP
GPU 2
GIGABYTE GeForce GT1030
OS
SLE (Linuxカーネル 5.14.21)

前提条件

2枚以上のグラフィックボード(マザーボード内蔵でも可)が必要である
1つはLinuxホストで使用され、もう1つはWindowsを実行している仮想マシン(以降、VMという)で使用される。

また、VMにIntel統合GPU(Intel UHD等)を使用することはできない。ATI製またはnVidia製のみ使用できる。

ただし、LinuxホストにIntel統合GPUを使用することはできる。
グラフィックボードがUEFIに対応していること。
こちらのWebサイトに記載されているグラフィックボードであればよい。
CPUの機能において、Intel VT-DまたはAMD-Viをサポートするマザーボードが必要である。
リストの一部はこのWebサイトにある。BIOS上で有効にする必要がある。
PCIのルートポートは、VMで使用するGPUと同じIOMMUグループの一部であってはならない。(詳細は後述)
VMが使用するプライマリディスプレイの空き入力ポートまたはセカンダリディスプレイの空き入力ポートがあること。

BIOSの設定

まず最初に、BIOSの設定画面を表示して、以下の項目の設定を変更する。
なお、以下の項目はマザーボードがGIGABYTE X570UDのものである。

F12までのBIOS

AMD-Viの有効化
[M.I.T.] - [高度な周波数設定] - [Advanced CPU Settings] - [SVM Mode]を[Enable]に変更する。
IOMMUの有効化
[チップセット] - [IOMMU]を[Enable]に変更する。
ACSの有効化
[周辺機器] - [AMD CBS] - [ACS Enable]を[Enable]に変更する。
AER Capの有効化
[周辺機器] - [AMD CBS] - [Enable AER Cap]を[Enable]に変更する。

F12より新しいBIOS

AMD-Viの有効化
[M.I.T.] - [高度な周波数設定] - [Advanced CPU Settings] - [SVM Mode]を[Enable]に変更する。
IOMMUの有効化
[チップセット] - [IOMMU]を[Enable]に変更する。
IOMMUの有効化
[周辺機器] - [AMD CBS] - [NBIO Common Options] - [IOMMU]を[Enable]に変更する。
ACSの有効化
[周辺機器] - [AMD CBS] - [NBIO Common Options] - [ACS Enable]を[Enable]に変更する。
AER Capの有効化
[周辺機器] - [AMD CBS] - [NBIO Common Options] - [Enable AER Cap]を[Enable]に変更する。

GPUパススルーの自動設定

もし、下記のセクションの手動設定が面倒と考える場合、以下の自動設定を行うシェルスクリプトをダウンロードする。
ファイル:GPU-PassThrough.zip
まず、gpu-passthrough.shをスーパーユーザ権限で実行する。
これは、必要なソフトウェアをインストールして、GPUパススルーに必要な設定を行った後、initrdを再構築するシェルスクリプトである。

sudo ./gpu-passthrough.sh

SUSEを再起動する。

次に、分離するGPU(VMで使用するGPU)を確認する。
Kernel driver in use:と記載されいている箇所を探す。正常に分離されていれば、vfio-pciと記載される。

sudo lspci -nnk

KVMを起動して、[QEMU/KVM]にフォーカスを当てて[編集]メニュー - [接続の詳細]を選択する。
[接続の詳細]画面が起動するので、[仮想ネットワーク]タブを選択して、[Autostart:]項目の[On Boot]チェックボックスにチェックを入力する。

後は、下記の[ゲストOSの作成]セクションに移動して、VMの作成および設定を行う。

なお、この手順は以下に示す動画を参考にしている。

KVM / QEMUのインストール

KVM / QEMUおよび依存関係のライブラリをインストールする。

SLES / openSUSE
sudo zypper install libvirt libvirt-client libvirt-daemon virt-manager virt-install virt-viewer \

qemu qemu-kvm qemu-ovmf-x86_64 qemu-tools \

biosdevname
SLED
ソースコードからKVMとQEMUをインストールする場合、インストール - KVM#ソースコードからインストールを参照する。

または、以下のパッケージをダウンロードして、~/.profileファイル等に環境変数PATHおよびLD_LIBRARY_PATHを追記する。

libvirt : https://software.opensuse.org/package/libvirt

libvirt-client : https://software.opensuse.org/package/libvirt-client

libvirt-daemon : https://software.opensuse.org/package/libvirt-daemon

virt-manager : https://software.opensuse.org/package/virt-manager

virt-install : https://software.opensuse.org/package/virt-install

virt-viewer : https://software.opensuse.org/package/virt-viewer?search_term=virt-viewer

qemu : https://software.opensuse.org/package/qemu

qemu-kvm : https://software.opensuse.org/package/qemu-kvm

qemu-ovmf-x86_64 : https://software.opensuse.org/package/qemu-ovmf-x86_64

qemu-tools : https://software.opensuse.org/package/qemu-tools?search_term=qemu-tools

こちらのWebサイトから、VirtIOドライバをダウンロードする。

ラップトップPC上のdGPUを通過させるための手順

この手順は、ACPIの呼び出しを使用してdGPUファームウェアを読み込まないラップトップPCにのみ適用される。
dGPUファームウェアを読み込むためにACPIの呼び出しを使用するラップトップPCについては、u/jscinoz'sのoptimus-vfio-docsを参照すること。

現状、ACPIの呼び出しでdGPUがファームウェアを読み込むかどうかを確認する方法は不明である。

最近の多くのOptimusなラップトップPCはMUXレス方式を採用しているが、
HP/Thinkpad/Dellモバイルワークステーション、Clevo P650、Alienwareの一部等はMUXed方式を採用している。

Optimusソリューションが登場する前の時代には、グラフィックスカードを切り替えるために再起動が必要で、1度に1つしか使用できない古いMUXed方式があったが、
最新のMUXed方式では、OptimusとdGPUのみを切り替えることができ、Optimus使用時にはディスプレイ出力ポートをdGPUに直接接続することもできる。(一部のラップトップPCにのみ適用)

MUXレス方式でCode 43(エラーコード)に遭遇したPCは、(ゲストOSでdGPUを見ることができ、NVIDIAドライバも問題なくインストールできるにもかかわらず)
ACPIの呼び出しがdGPUファームウェアの読み込みに失敗したためである。

これは、NVIDIAドライバがvfio-pciを通して提供されたROMを使用する代わりに、UEFIからdGPUのROMを読み込もうとしているからである。

このような問題が発生した場合は、u/jscinozのoptimus-vfio-docsを参照すること。

MUXレスの成功報告があるラップトップPCを以下に示す。

MSI GS60-040XFR
MSI GS60 2PC
ASUS G751JM

この手順で可能になる事柄を以下に示す。

Bumblebeeを使用することにより、オンデマンドでNVIDIA dGPUの電源オン / オフすることが可能である。
ホストPCにNVIDIA dGPUが不要の場合は、ゲストOSにNVIDIA dGPUを渡すことができる。
ゲストOSのシャットダウン時にdGPUを戻すことができる。
dGPUのバインド / アンバインドプロセス中に再起動する必要はない。
外部ディスプレイは必須ではない。（ハードウェアとVMが実行しているWindowsのバージョンに依存する）
また、外部ディスプレイを直接ゲストOSに接続することができる。

使用しているNVIDIAグラフィックスカード (dGPU) がMUXedまたはMUXlessかどうかを確認する。
BIOS/UEFIオプションにおいて、integrated graphics / PCI graphicsが選択できる場合、MUXedである。
選択できない場合はMUXレスである。

MUXedの場合は、https://gist.github.com/Misairu-G/616f7b2756c488148b7309addc940b28 を参照すること。
MUXレスの場合、https://github.com/jscinoz/optimus-vfio-docs を参照すること。

IOMMUの有効化

Intel VT-xとAMD-Viは、一般的にIOMMUと呼ばれる。
IOMMUを有効にするには、/etc/default/grubファイル(ブートローダファイル)にあるGRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULTセクションに以下の設定を追記する。
iommu=ptは、カーネルにDMA変換をメモリにバイパスするように指示する。これにより、パフォーマンスが向上する場合がある。

# Intel CPU
intel_iommu=on iommu=pt 

# AMD CPU
amd_iommu=on iommu=pt

grubを再構築するために、以下のコマンドを実行する。

sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

Linuxを再起動する。
再起動後、IOMMUが有効になっているか確認するため、以下のコマンドを実行する。

# Intel CPU
dmesg | grep -e DMAR -e IOMMU

# AMD CPU
dmesg | grep AMD-Vi

有効化されている場合は、以下のようなメッセージが出力される。

# Intel CPU
DMAR: IOMMU enabled
・
・
・

# AMD CPU
[    1.643621] pci 0000:00:00.2: AMD-Vi: IOMMU performance counters supported
[    1.645069] pci 0000:00:00.2: AMD-Vi: Found IOMMU cap 0x40
[    1.645069] pci 0000:00:00.2: AMD-Vi: Extended features (0x58f77ef22294ade):
[    1.645071] AMD-Vi: Interrupt remapping enabled
[    1.645072] AMD-Vi: Virtual APIC enabled
[    1.645072] AMD-Vi: X2APIC enabled
[    1.645153] AMD-Vi: Lazy IO/TLB flushing enabled
[    2.486602] AMD-Vi: AMD IOMMUv2 driver by Joerg Roedel <jroedel@suse.de>

次に、IOMMUグループが有効であることを確認する。
以下のシェルスクリプトを作成して実行する。(ここでは、シェルスクリプトのファイル名をlsIOMMU.shとする)

 #!/bin/bash
 
 shopt -s nullglob
 for d in /sys/kernel/iommu_groups/*/devices/*; do
    n=${d#*/iommu_groups/*}; n=${n%%/*}
    printf 'IOMMU Group %s ' "$n"
    lspci -nns "${d##*/}"
 done;

# 実行
chmod u+x lsIOMMU.sh
sudo ./lsIOMMU.sh

出力結果は下図のようになる。この図から、2つのことが分かる。
VMで使用するデバイスがどのIOMMUグループであるか(下図の場合は、グループ11)およびそのベンダー/モデルID(下図の場合は、1002：683fおよび1002：aab0)である。
この出力結果は、IOMMUグループ内で(関連付けられているオーディオデバイスを無視して)単独のデバイスに対してのみ機能する。

複数のGPUの分離

2つ以上のGPUを分離する必要がある。
これは、異なるメーカーのGPUが2つある場合(ここでは、VMで使用するGPUをブラックリストに登録するだけ)は非常に簡単であるが、
両方のGPUが同じベンダーのものである場合は少し複雑になる。
また、両方のGPUが同じモデルの場合、さらに複雑になる。
GPUが同じベンダーのものであったとしても、両方のGPUが完全に同じモデルでない限り、この設定に従うことができる。
また、グラフィックカードのHDMIオーディオデバイスもパススルーすること。

ただし、この設定では、2つの全く同一のGPUでは機能しないので注意すること。(Radeon RX550が2枚など)

2つのグラフィックボードがそれぞれ異なる場合(nVidia製とATI製)
/lib/modprobe.d/50-blacklist.confファイル、または、/etc/modprobe.d/50-blacklist.confファイルを編集して、以下の内容を追記する。

# SUSE 15.4以降の場合
sudo vi /lib/modprobe.d/50-blacklist.conf

# SUSE 15.3以前の場合
sudo vi /etc/modprobe.d/50-blacklist.conf

# LinuxホストにATI製グラフィックボード、VMにnVidia製グラフィックボードを使用する場合
blacklist nouveau
blacklist nvidia

# LinuxホストにnVidia製グラフィックボード、VMにATI製グラフィックボードを使用する場合
blacklist amdgpu
blacklist radeon

2つのグラフィックボードが同じ場合(両方ともnVidia製または両方ともATI製)
まず、/lib/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル、または、/etc/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイルを作成して、以下のように編集する。
ここで、<VMで使用するGPUのベンダー>と<VMで使用するGPUのモデルID>は、上記セクションで実行したlsIOMMU.shの出力結果に記載されている。

# SUSE 15.4以降の場合
sudo vi /lib/modprobe.d/gpu-passthrough.conf

# SUSE 15.3以前の場合
sudo vi /etc/modprobe.d/gpu-passthrough.conf

# /lib/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル または /etc/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル

options vfio-pci ids=<VMで使用するGPUのベンダー>,<VMで使用するGPUのモデルID>

例えば、上記セクションの結果から、以下のように記述する。
また、options vfio-pci disable_vga=1は、ホストPCがLinuxカーネル 4.1以降、かつ、ゲストOSがUEFIの場合のみ有効である。
VGAアービトレーションがホストデバイスに干渉するのを防ぐのに役立つ。

# /lib/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル
# または
# /etc/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル

options vfio-pci ids=10de:1d01,10de:0fb8
options vfio-pci disable_vga=1

また、Windows10 1803以降をインストールする場合は、以下の設定も追記する。
しかし、Linuxカーネル 5.9.1以降はこのオプションが問題を引き起こすという報告がある。
個人的には、kvm.ignore_msrs=1オプションを付加して、問題が発生する場合は当オプションを削除する方法を推奨する。

# SUSE 15.4以降の場合
sudo vi /lib/modprobe.d/gpu-passthrough.conf

# SUSE 15.3以前の場合
sudo vi /etc/modprobe.d/gpu-passthrough.conf

# /lib/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル または /etc/modprobe.d/gpu-passthrough.confファイル

options kvm ignore_msrs=1

自動ロードするモジュールのリストにドライバを追加するため、/etc/modules-load.d/vfio-pci.confファイルを作成して、以下の内容を記述する。

sudo vi /etc/modules-load.d/vfio-pci.conf

# /etc/modules-load.d/vfio-pci.confファイル

# Intel CPUの場合
pci_stub
vfio
vfio_iommu_type1
vfio_pci
kvm
kvm_intel

# AMD CPUの場合
pci_stub
vfio
vfio_iommu_type1
vfio_pci
kvm
kvm_amd

次に、/etc/default/grubファイルを開く。
vfio-pciをパススルーするGPUにバインドするため、GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULTにrd.driver.pre=vfio-pciを追記する。

# /etc/default/grubファイル

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="〜 rd.driver.pre=vfio-pci"

vfio-pciドライバの先読み設定

vfio-pciドライバの先読み設定を行う。

SUSEおよびRedHat系は、/etc/sysconfig/kernelファイルを作成して設定する。
Ubuntuでは、/etc/dracut.conf.d/gpu-passthrough.confファイルを作成して設定する。
ただし、SUSEでは、上記のどちらの手順でも正常にvfio-pciドライバの先読み設定を行うことができた。

※調査中
pci_stubオプションは不要の可能性がある。

sudo vi /etc/dracut.conf.d/gpu-passthrough.conf

# /etc/dracut.conf.d/gpu-passthrough.confファイル

# Intel CPUの場合
add_drivers+=" pci_stub vfio vfio_iommu_type1 vfio_pci vfio_virqfd kvm kvm_intel "

# AMD CPUの場合
add_drivers+=" pci_stub vfio vfio_iommu_type1 vfio_pci vfio_virqfd kvm kvm_amd "

# または

# Intel CPUの場合
add_drivers+=" vfio vfio_iommu_type1 vfio_pci vfio_virqfd "

# AMD CPUの場合
add_drivers+=" vfio vfio_iommu_type1 vfio_pci vfio_virqfd "

上記の設定を有効化するため、initrdを再構築する。

sudo dracut -f /boot/initrd $(uname -r)

initrdの再構築の完了後、Linuxホストを再起動する。
設定ミスで失敗すると、Linuxホストが起動できなくなる可能性があるので注意すること。

GPUが分離されていることを確認

GPUが分離されているか確認する。
以下のコマンドを実行して、使用中のカーネルドライバーを探す。

sudo lspci -nnv

分離するGPU(VMで使用するGPU)を確認するには、Kernel driver in use:と記載されいている箇所を探す。正常に分離されていれば、vfio-pciと記載される。

03:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP108 [GeForce GT 1030] [10de:1d01] (rev a1)
       Subsystem: Gigabyte Technology Co., Ltd Device [1458:375d]
       Kernel driver in use: vfio-pci
       Kernel modules: nouveau
03:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GP108 High Definition Audio Controller [10de:0fb8] (rev a1)
       Subsystem: Gigabyte Technology Co., Ltd Device [1458:375d]
       Kernel driver in use: vfio-pci
       Kernel modules: snd_hda_intel

QEMUのアクセス権限の付与

別のHDD / SSDに仮想マシンを配置する場合、初期設定ではアクセス権限エラーになる。
そこで、/etc/libvirt/qemu.confファイルに以下の設定を追記する。

# /etc/libvirt/qemu.confファイル
・
・
・
user = "root"
group = "root"

また、別のHDD / SSDに仮想マシンを配置する時は、配置先のディレクトリで以下のコマンドを実行する。
以下では、<仮想マシン名>.qcow2ファイルを最大100[GB]の領域で仮想マシンを作成している。

qemu-img create -f qcow2 <仮想マシン名>.qcow2 100G

X11の設定

上記の設定の状態では、PC起動時においてパススルーしたGPUを先に読み込むため、ホストOSの画面が表示されない。
ホストOS向けのGPUを先に読む込む必要があるため、/etc/X11/xorg.conf.installファイルに以下の設定を追記する。

sudo vi /etc/X11/xorg.conf.install

# /etc/X11/xorg.conf.installファイル

# ...略

# 以下の設定を追記
Section "Device"
  Identifier "amdgpu"
  Driver  "amdgpu"
EndSection

# 以下の設定を追記
Section "Screen"
  Identifier "amdgpu"
  Device "amdgpu"
EndSection

# Screen  "amdgpu"を追記
Section "ServerLayout"
  # ...略
  Screen  "amdgpu"  # 追加
EndSection

ゲストOSの作成

あらかじめ、Microsoftの公式Webサイトで、Windows10のisoファイルをダウンロードする。
併せて、virtio-winのGithubまたはFedoraの公式Webサイトにアクセスして、virtio-win-<バージョン>.isoファイルもダウンロードする。

Windows 10 / 11 / Linuxの場合

まず、SUSE 15.1を使用している場合は、/etc/libvirt/qemu.confファイルを開いて、nvramセクションを以下のように編集する。
nvram = ["/usr/share/qemu/ovmf-x86_64.bin:/usr/share/qemu/ovmf-x86_64-code.bin"]
libvirtデーモンを再起動する。
sudo systemctl restart libvirtd

必要であれば、以下のように、libvirtdを自動起動するように設定する。

sudo systemctl enable libvirtd
Virtual Machine Managerを起動して、新しいVMを作成する。
[Architecture Option]画面では、[Local Install Media]と[x86_64]を選択する。
[Use ISO Imege]項目を選択して、Windows10のISOファイルを選択する。
VMに割り当てるメモリ容量とCPUのコア数を選択する。
VMのディスクイメージを作成する。(既に定義されている場合は選択する。また、ディスク全体でも構わない。パスをそこに配置して、ホストにマウントされていないことを確認する)
VMに名前を付けて、[Customize configuration before install]チェックボックスにチェックが入力されていることを確認して、[Finish]ボタンを押下する。
VM構成画面(以降、メイン画面という)に移動する。
メイン画面左の[Overview]を選択して、[Chipset:]プルダウンおよび[Firmware:]プルダウンを以下の値に設定する。

ホストOSがSUSE 15.1の場合

[Chipset:] : i440FX

[Firmware:] : BIOS または UEFI

ホストOSがSUSE 15.2以降かつゲストOSがWindows XPの場合

[Chipset:] : i440FX

[Firmware:] : BIOS または UEFI

ホストOSがSUSE 15.2以降かつゲストOSがWindows 7の場合

[Chipset:] : Q35

[Firmware:]は、以下のいずれかを選択する。

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-smm-code.bin

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-code.bin

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-4m-code.bin

ホストOSがSUSE 15.2以降かつ上記以外のゲストOSの場合

[Chipset:] : Q35

[Firmware:]は、以下のいずれかを選択する。

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-smm-ms-code.bin

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-opensuse-code.bin
メイン画面左の[CPUs]で、[Configuration]項目の[Model: ]プルダウンから、[host-passthrough]を選択する。(プルダウンに存在しない場合は、host-passthroughと入力する)
メイン画面左下の[Add Hardware]ボタンを押下すると、[Add New Virtual Hardware]画面が表示される。
この画面左の[Controller]を選択して、[Type: ]項目にSCSI、[Model: ]項目にVirtIO SCSIと入力する。
(パフォーマンスを向上させるために、タイプを必ずVirtIO SCSIに変更する)
メイン画面左の[SCSI Disk 1]を選択して、[Advanced Options]項目の[Disk bus]項目にSCSIを選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[Storage]を選択して、[管理]ボタンを押下して、
"KVM / QEMUのインストール"セクションでダウンロードしたvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルを選択する。
[デバイスの種類]項目には、[CD-ROMデバイス]を選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[PCI Host Device]を選択して、分離されたGPUとサウンドカード(ここでは、PCIデバイス02：00.0とPCIデバイス02：00.1)を追加する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[USB Host Device]を選択して、キーボードとマウスを追加する。
Windows 10 / 11の場合、[Add New Virtual Hardware]画面左の[TPM]を選択して、
[種類]プルダウンから[Emulated]、[モデル]プルダウンから[TIS]、[バージョン]プルダウンから[2.0]を選択して、追加する。
同様に、不要なデバイス(タブレット、ディスプレイスパイス、シリアル、コンソール、チャンネルスパイス等)を全て削除する。
RHELやSLE等の場合は、Synergy / Barrierの動作に支障があるため、ビデオQXLを有効にして、ディスプレイSpiceおよびビデオは削除しない。

ディスプレイにサウンド出力がない場合またはVGA経由で接続する場合は、サウンドカードが必要である。
1000円程度の安価なUSBサウンドカードを購入してPCに取り付けた場合、キーボードとマウスを追加した際と同様にして追加する。
VMに割り当てたばかりのグラフィックボードをディスプレイに接続し、[Begin Installation]ボタンを押下する。
全て正しく設定されていれば、そのディスプレイにVMが起動していることがわかる。
Windows10をインストール画面の手順に従ってインストールする。
インストール完了後、Windows10のデバイスマネージャーを起動して、マウントされているvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルから各種ドライバをインストールする。

Windows 7の場合

Virtual Machine Managerを起動して、新しいVMを作成する。
[Architecture Option]画面では、[Local Install Media]と[x86_64]を選択する。
[Use ISO Imege]項目を選択して、Windows 7のISOファイルを選択する。
VMに割り当てるメモリ容量とCPUのコア数を選択する。
この時、CPUの割り当てを1にする。
VMのディスクイメージを作成する。(既に定義されている場合は選択する。また、ディスク全体でも構わない。パスをそこに配置して、ホストにマウントされていないことを確認する)
VMに名前を付けて、[Customize configuration before install]チェックボックスにチェックが入力されていることを確認して、[Finish]ボタンを押下する。
VM構成画面(以降、メイン画面という)に移動する。
メイン画面左の[Overview]を選択して、[Chipset:]プルダウンおよび[Firmware:]プルダウンを以下の値に設定する。

ホストOSがSUSE 15.1の場合

[Chipset:] : i440FX

[Firmware:] : UEFI

ホストOSがSUSE 15.2以降かつゲストOSがWindows 7の場合

[Chipset:] : Q35

[Firmware:]は、以下のいずれかを選択する。

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-smm-ms-code.bin

[Firmware:] : UEFI X86_64: ovmf-x86_64-smm-code.bin
メイン画面左の[CPUs]で、[Configuration]項目の[Model: ]プルダウンから、[host-passthrough]を選択する。(プルダウンに存在しない場合は、host-passthroughと入力する)
メイン画面左の[NIC 〜]で、[デバイスのモデル]プルダウンから[ハイパーバイザーのデフォルト]を選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[Storage]を選択して、[管理]ボタンを押下して、
"KVM / QEMUのインストール"セクションでダウンロードしたvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルを選択する。
[デバイスの種類]項目には、[CD-ROMデバイス]を選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[USB Host Device]を選択して、キーボードとマウスを追加する。
分離されたGPUとサウンドカード(下図では、PCIデバイス03：00.0とPCIデバイス03：00.1)は追加しないことに注意する。
ここまでの設定を行うことにより、下図のようになる。
[Begin Installation]ボタンを押下して、ゲストOSを起動する。
UEFIシェル(仮想マシンのブート設定画面)を起動して、[Device Manager] - [Secure Boot Configuration] - [Attempt Secure Boot]チェックボックスのチェックを外して、セキュアブートを無効にする。
設定を保存した後、すぐに仮想マシンをシャットダウンする。
※まだ、Windows 7はインストールしないことに注意する。
仮想マシンの設定ファイル(XML拡張子)を、以下に示すように編集する。
sudo virsh edit <仮想マシン名>

# 最初の行を変更する

<domain type='kvm' xmlns:qemu='http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0'>

または

<domain xmlns:qemu="http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0" type="kvm">

# ファイルの最下行にある</devices>と</domain>の間に追記する

# (host=03:00.0の箇所は、必要に応じてユーザの環境に合わせること)

<qemu:commandline>

<qemu:arg value='-device'/>

<qemu:arg value='vfio-pci,host=03:00.0,id=hostpci0.0,bus=pcie.0,addr=0x10.0,multifunction=on'/>

<qemu:arg value='-device'/>

<qemu:arg value='vfio-pci,host=03:00.1,id=hostpci0.1,bus=pcie.0,addr=0x10.1'/>

<qemu:arg value='-cpu'/>

<qemu:arg value='host,kvm=off,hv_vendor_id=null'/>

<qemu:arg value='-machine'/>

<qemu:arg value='q35,kernel_irqchip=on'/>

</qemu:commandline>
次に、libvirtdおよびQEMUの設定ファイル(/etc/libvirt/qemu.confファイル)の最下行に、以下に示す設定を追記する。
sudo vi /etc/libvirt/qemu.conf

cgroup_device_acl = [

"/dev/null", "/dev/full", "/dev/zero",

"/dev/random", "/dev/urandom",

"/dev/ptmx", "/dev/kvm",

"/dev/vfio/20", "/dev/vfio/vfio" # /dev/vfio/20ファイルは、使用している環境により、数値の部分が異なる場合があることに注意する

]
libvirtdデーモンを再起動する。
sudo systemctl restart libvirtd
VMに割り当てるGPUをディスプレイに接続し、仮想マシンを起動する。
UEFIシェル(仮想マシンのブート設定画面)のブートセレクションからWindows 7インストーラがあるストレージを選択して、Windows 7をインストールする。
インストール完了後、Windows 7のデバイスマネージャーを起動して、マウントされているvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルから各種ドライバをインストールする。
Windowsアップデートを行う。
Windowsアップデート行う前に、下記の※注意2を参照して、いくつかのパッチをインストールする必要があることに注意する。
NVidiaのGPUドライバをインストールする。
NVidiaのGPUドライバは、公式Webサイトからダウンロードすること。
仮想マシンをシャットダウンして、 [仮想CPU 割り当て]項目から、VMに割り当てるCPUのコア数を設定する。
ただし、[トポロジー] - [CPUトポロジーの手動設定]は設定しないこと。(UEFIシェル画面でハングするため)
不要であれば、使用しないデバイス(タブレット、ディスプレイスパイス、コンソール、チャンネルスパイス、ビデオQXL等)を全て削除する。

※注意 1
仮想マシンを実行する時、以下に示すようなエラーが出力される場合がある。

audio: Could not init spice' audio driver

この問題を解決するには、Virt-Managerを起動して、画面左ペインにある[概要]から[XML]タブを選択して、オーディオの種類をspice以外のものに変更する必要がある。

 # 編集前
 <audio id='1' type='spice'/>
 
 # 編集後
 <audio id='1' type='none'/>

※注意 2
2023/03現在、Windows 7を新規インストールした場合は、Windowsアップデートができない。
そのため、Microsoftの公式Webサイトから、いくつかのWindows 7の更新プログラムを直接ダウンロードおよびインストールする必要がある。
以下のURLでは、Windows 7 x64向けであることに注意する。

Windowsアップデートが動作しない場合
Windows 7 用更新プログラム (KB3138612)をインストールする。

https://www.microsoft.com/ja-jp/download/details.aspx?id=51208

または

https://www.catalog.update.microsoft.com/Search.aspx?q=KB3138612
Windows7の更新プログラムのインストールがいくつか失敗するものがある場合
2019-03 x64ベースシステム用Windows 7 サービススタック更新プログラム (KB4490628)をインストールして、サービススタックを更新する。

https://www.catalog.update.microsoft.com/search.aspx?q=kb4490628

必要であれば、以下に示す更新プログラムもインストールする。

windows6.1-kb2533552-x64_0ba5ac38d4e1c9588a1e53ad390d23c1e4ecd04d.msu
https://www.catalog.update.microsoft.com/Search.aspx?q=kb2533552
windows6.1-kb3020369-x64_5393066469758e619f21731fc31ff2d109595445.msu
https://www.catalog.update.microsoft.com/Search.aspx?q=kb3020369
windows6.1-kb3125574-v4-x64_2dafb1d203c8964239af3048b5dd4b1264cd93b9.msu
https://www.catalog.update.microsoft.com/Search.aspx?q=kb3125574
windows6.1-kb976932-x64_74865ef2562006e51d7f9333b4a8d45b7a749dab.exe
※ SP1をインストールしていない場合のみ
https://www.catalog.update.microsoft.com/Search.aspx?q=kb976932

Windows XPの場合

Virtual Machine Managerを起動して、新しいVMを作成する。
[Architecture Option]画面では、[Local Install Media]と[x86_64]を選択する。
[Use ISO Imege]項目を選択して、Windows XPのISOファイルを選択する。
VMに割り当てるメモリ容量とCPUのコア数を選択する。
この時、CPUの割り当てを2にする。
VMのディスクイメージを作成する。(既に定義されている場合は選択する。また、ディスク全体でも構わない。パスをそこに配置して、ホストにマウントされていないことを確認する)
VMに名前を付けて、[Customize configuration before install]チェックボックスにチェックが入力されていることを確認して、[Finish]ボタンを押下する。
VM構成画面(以降、メイン画面という)に移動する。
メイン画面左の[Overview]を選択して、[Chipset:]プルダウンおよび[Firmware:]プルダウンを以下の値に設定する。

[Chipset:] : i440FX

[Firmware:] : BIOS
メイン画面左の[CPUs]で、[Configuration]項目の[Model: ]プルダウンから、[host-passthrough]を選択する。(プルダウンに存在しない場合は、host-passthroughと入力する)
メイン画面左の[NIC 〜]で、[デバイスのモデル]プルダウンから[ハイパーバイザーのデフォルト]を選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[Storage]を選択して、[管理]ボタンを押下して、
"KVM / QEMUのインストール"セクションでダウンロードしたvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルを選択する。
[デバイスの種類]項目には、[CD-ROMデバイス]を選択する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[PCI Host Device]を選択して、分離されたGPUとサウンドカード(ここでは、PCIデバイス02：00.0とPCIデバイス02：00.1)を追加する。
[Add New Virtual Hardware]画面左の[USB Host Device]を選択して、キーボードとマウスを追加する。
VMに割り当てたばかりのグラフィックボードをディスプレイに接続し、[Begin Installation]ボタンを押下する。
全て正しく設定されていれば、そのディスプレイにVMが起動していることがわかる。
Windows XPをインストール画面の手順に従ってインストールする。
インストール完了後、Windows XPのデバイスマネージャーを起動して、マウントされているvirtio-win-<バージョン名>.isoファイルから各種ドライバをインストールする。

仮想マシンの設定

ゲストOSがopenSUSEの場合

ゲストOSがopenSUSEの場合、/etc/default/grubファイルのGRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT項目に、pci=noaerオプションを追記する。

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="... pci=noaer"

AMD CPUのパフォーマンスの改善

以前、AMD CPUでは、Nested Page Tables(NPT)を無効化することでKVMのGPU性能を引き上げることができた。
これは、バグが原因で、トレードオフとしてCPUの性能が落ちて、がたつきが発生することがあった。

Linuxカーネル 4.9以降からこの問題を解決するカーネルパッチがマージされている。
LinuxカーネルまたはLinux-LTSカーネルを使用している場合、パッチは既に適用されている。

※注意
QEMU 3.1以降、TOPOEXTフラグは標準で無効化されており、
AMD CPUでハイパースレッディングを使用するには、以下のように、手動で有効にする必要がある。
cache passthroughの設定は、実際のCPUキャッシュ情報を仮想マシンに渡す。

 <!-- ゲストOSがWindows 10 / 11またはSUSEの場合 -->
 <cpu mode="host-passthrough" check="none">
   <topology sockets="1" cores="4" threads="2"/>
   <cache mode="passthrough"/>
   <feature policy="require" name="topoext"/>
 </cpu>
 
 <!-- ゲストOSがWindows 7の場合 -->
 <cpu mode="host-passthrough" check="none">
   <topology sockets="1" cores="4" threads="2"/>
   <cache mode="passthrough"/>
   <feature policy='disable' name='hypervisor'/>
 </cpu>
 
 <!-- ゲストOSがWindows XPの場合 -->
 <cpu mode="host-passthrough" check='none'>
   <topology sockets='1' cores='2' threads='2'/>
   <feature policy='require' name='topoext'/>  <!-- ←この設定は不要の可能性あり -->
 </cpu>

更にパフォーマンスを向上させるため、<features>タグ内に<hyperv>タグとそのエレメントを設定する。

 <!-- ゲストOSがWindows 10 / 11の場合 -->
 <hyperv>
   <relaxed state="on"/>
   <vapic state="on"/>
   <spinlocks state="on" retries="8191"/>
   <vendor_id state="on" value="0123456789ab"/>
   <vpindex state="on"/>
   <synic state="on"/>
   <stimer state="on"/>
   <frequencies state="on"/>
 </hyperv>
 
 <!-- ゲストOSがopenSUSEの場合 -->
 <hyperv>
   <relaxed state='on'/>
   <vapic state='on'/>
   <spinlocks state='on' retries='8191'/>
   <vendor_id state='on' value='0123456789ab'/>
 </hyperv>
 
 <!-- ゲストOSがWindows 7の場合 -->
 <hyperv>
   <relaxed state='on'/>
   <vapic state='on'/>
   <spinlocks state='on' retries='8191'/>
   <vendor_id state='on' value='0123456789ab'/>
 </hyperv>
 
 <!-- ゲストOSがWindows XPの場合 -->
 <hyperv>
   <relaxed state='on'/>
   <vapic state='on'/>
   <spinlocks state='on' retries='8191'/>
   <vendor_id state='on' value='none'/>
 </hyperv>

GPUがNVIDIA Geforceの場合 (error code 43)

仮想マシンのデバイスマネージャでグラフィックボードを確認すると、"エラー43：ドライバーの読み込みに失敗しました"と表示されて、正常に機能しない場合がある。
この問題は、NVidia GeForceシリーズのみ起こり(QuadroやTeslaにはこの問題は無い)、ユーザが仮想マシンでそれらを使用しようとすると、機能を意図的に無効化する。
理由としては、仮想マシンでグラフィックカードを実行できるようになると、自社の製品の売上に悪影響を与える可能性があるからである。

GeforceのGPUパススルーを正常に動作させるには、ハイパーバイザがその存在を隠すことで出来る。
具体的な手順は以下の通りである。

手動での設定

まず、KVMを開始する。

sudo systemctl start libvirtd

GPUパススルーを行う仮想マシンのxmlファイルを編集する。

sudo EDITOR=nano virsh edit <仮想マシン名>

<hyperv>タグ内にvendor_idタグを記述する。
この時、value属性はどのような値でもよい。
ただし、vendor_idタグの設定は、Quadro 2000以降のQuadroカードでは不要である。

 <features>
 
   ...略
 
   <hyperv>
 
     ...略
 
     <vendor_id state="on" value="123456789ab"/>
   </hyperv>
 
   ...略
 
 </features>

次に、状態を非表示にするようにKVMに指示するため、<hyperv>タグ外の直下に、kvmタグとhiddenタグを記述する。
ただし、hiddenタグの設定も、Quadro 2000以降のQuadroカードでは不要である。

 <features>
 
   ...略
 
   <hyperv>
 
     ...略

   </hyperv>
 
   ...略
 
   <kvm>
     <hidden state='on'/>
   </kvm>
 </features>

QEMU 4.0以降で仮想マシンにQ35チップセットを使用する場合、featuresタグ内にioapicタグを記述する。

 <features>
 
 ...略
 
   <ioapic driver="kvm"/>
 </features>

最後に、KVMを再起動する。

sudo systemctl restart libvirtd

自動での設定

GitHubにあるvirsh-patcherパッケージは、簡単に上記の方法を行うことができる。

git clone https://github.com/PassthroughPOST/virsh-patcher virsh-patcher

以下のコマンドを実行して修正を適用する。

sudo virshpatcher --error43 --vendor-id 123456789ab <仮想マシン名>

SynergyまたはBarrierのインストール

ゲストOSのインストールが完了した後、Synergy(有償ソフトウェア)またはBarrierをインストールすることを推奨する。
これらは、物理的なKVM (Keyboard-Video-Mouse) スイッチなしで、複数のPCで同じキーボードとマウスを使用できる。

SynergyおよびBarrierの概要およびインストール手順を知りたい場合は、インストール - マウス・キーボード共有ソフトウェアのページを参照すること。

エラー時の対処方法

ネットワーク

VM起動時に下記のエラーが出力されて、VMが起動できないことがある。

ERROR    Requested operation is not valid: network 'default' is not active

まず、以下のコマンドを実行する。
この時、以下のメッセージが出力された場合は、sudo virsh net-start defaultを実行する。
今後、このネットワークを自動起動するには、sudo virsh net-autostart --network defaultを実行する。

# 実行
sudo virsh net-list --all

# 出力
名前      状態       自動起動      永続
------------------------------------------------
default   停止状態   いいえ (no)   はい (yes)

また、以下のようにネットワークが表示されない場合がある。

Name                 State      Autostart     Persistent
----------------------------------------------------------

その時は、/run/libvirt/network/default.xmlファイルを作成して、以下に示す内容を記述する。(デフォルトネットワークを作成する)

# /run/libvirt/network/default.xmlファイル

<networkstatus>
   <class_id bitmap='0-2'/>
   <floor sum='0'/>
   <network>
      <name>default</name>
      <uuid>e8a9f86b-1c3a-4fa5-ab03-1fb563b12b84</uuid>
      <forward mode='nat'>
         <nat>
            <port start='1024' end='65535'/>
         </nat>
      </forward>
      <bridge name='virbr0' stp='on' delay='0'/>
      <mac address='52:54:00:a3:0d:b0'/>
      <ip address='192.168.122.1' netmask='255.255.255.0'>
         <dhcp>
            <range start='192.168.122.2' end='192.168.122.254'/>
         </dhcp>
      </ip>
   </network>
</networkstatus>

次に、そのネットワークをKVMホストに永続的に追加するには、以下のコマンドを実行する。

sudo virsh net-define --file default.xml

ファイアーウォール

VM起動時に下記のエラーが出力されて、VMが起動できないことがある。

error: Failed to start network default
error: internal error: Failed to initialize a valid firewall backend

この時、ファイアーウォールサービスをインストールする。

sudo zypper install firewalld

サービスを有効にして、ネットワークを再び機能させるために、次のコマンドを実行する。

sudo systemctl enable --now firewalld
sudo systemctl restart libvirtd

DNSマスカレード

VM起動時に下記のエラーが出力されて、VMが起動できないことがある。

error: Failed to start network default
error: Cannot check dnsmasq binary /usr/sbin/dnsmasq: No such file or directory

この時、DNSマスカレードをインストールする。

sudo zypper install dnsmasq

設定 - KVMのGPUパススルー

目次

概要

前提条件

BIOSの設定

F12までのBIOS

F12より新しいBIOS

GPUパススルーの自動設定

KVM / QEMUのインストール

ラップトップPC上のdGPUを通過させるための手順

IOMMUの有効化

複数のGPUの分離

vfio-pciドライバの先読み設定

GPUが分離されていることを確認

QEMUのアクセス権限の付与

X11の設定

ゲストOSの作成

Windows 10 / 11 / Linuxの場合

Windows 7の場合

Windows XPの場合

仮想マシンの設定

ゲストOSがopenSUSEの場合

AMD CPUのパフォーマンスの改善

GPUがNVIDIA Geforceの場合 (error code 43)

手動での設定

自動での設定

SynergyまたはBarrierのインストール

エラー時の対処方法

ネットワーク

ファイアーウォール

DNSマスカレード

案内メニュー

設定 - KVMのGPUパススルー

概要

前提条件

BIOSの設定

F12までのBIOS

F12より新しいBIOS

GPUパススルーの自動設定

KVM / QEMUのインストール

ラップトップPC上のdGPUを通過させるための手順

IOMMUの有効化

複数のGPUの分離

vfio-pciドライバの先読み設定

GPUが分離されていることを確認

QEMUのアクセス権限の付与

X11の設定

ゲストOSの作成

Windows 10 / 11 / Linuxの場合

Windows 7の場合

Windows XPの場合

仮想マシンの設定

ゲストOSがopenSUSEの場合

AMD CPUのパフォーマンスの改善

GPUがNVIDIA Geforceの場合 (error code 43)

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自動での設定

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