Ubuntu將Nvidia GPU直通給Windows虛擬機＋ Looking Glass安裝教學

顯示卡直通(GPU Passthrough) 讓Windows虛擬機能以接近原生效能玩大型3D遊戲。本文Ivon說明如何在Ubuntu安裝Windows虛擬機，並將獨立顯示卡直通給虛擬機。

為什麼要這麼做？Linux的QEMU/KVM的虛擬機的3D性能十分低落，跑不動3D應用程式，為此將顯示卡直通給虛擬機使用。

顯示卡直通(GPU Passthrough)搭配VFIO核心模組，即可讓虛擬機存取宿主機的硬體資源。Proxmox VE系統有採用此技術，現在我們要在一般的Ubuntu桌面系統搞GPU直通。

要做到這點，電腦需要二張顯示卡（一個CPU內顯，一個獨立顯示卡），再準備二台螢幕。

原理是這樣的：將獨顯直通給虛擬機後，宿主機便無法存取獨顯，故需要內顯用於顯示畫面。

我的電腦主機有內顯和獨顯的HDMI連接埠，通常主螢幕是插在Nvidia獨顯的連接埠

而獨顯在直通給虛擬機後，等同與系統隔離，Linux便無法存取Nvidia顯示卡，主螢幕就要改插Intel內顯的連接埠才有畫面，Nvidia獨顯則插上副螢幕。也就是讓Linux畫面輸出到CPU內顯；Windows畫面由獨立顯示卡輸出。

如果你沒有二個螢幕也沒關係！請使用文末提及的「Looking Glass」存取Windows桌面。讓你能夠在使用Linux的時候，透過Looking Glass的視窗與Windows桌面互動。

1. 環境
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主機板：ASUS K31CD-K
CPU：Intel® Core™ i5-7400
GPU：Intel® UHD Graphics 630 (內顯)
GPU：NVIDIA GTX 1050 Ti（獨顯），已安裝閉源驅動
主螢幕x1
副螢幕x1
宿主機Host OS：Ubuntu 24.04 LTS
虛擬機Guest OS：Windows 11 23H2
Linux核心版本：6.5.0
QEMU版本：8.2.2
Libvirt版本：8.0.0
Nvidia閉源驅動版本：550

2. 安裝Windows 11虛擬機
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參見Linux安裝Windows 11虛擬機 (QEMU/KVM)

安裝後將Windows虛擬機關機。

3. 啟用IOMMU
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使用VFIO前必須先啟用IOMMU。

編輯GRUB開機選項

sudo vim /etc/default/grub

針對Intel CPU，在GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT後面加入以下內容，啟用IOMMU

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash intel_iommu=on iommu=pt"

更新GRUB後重開機。

sudo update-grub
sudo reboot

4. 將Nvidia GPU綁定給VFIO
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VFIO核心模組負責將PCI-E裝置暴露給虛擬機使用。

（選擇性）如果直通後再也不需要讓宿主機使用Nvidia顯示卡，可以直接解除安裝Nvidia閉源驅動，改裝回nouveau。

sudo apt purge nvidia-driver-535

sudo apt install xserver-xorg-video-nouveau

編輯udev規則：

sudo vim /lib/udev/rules.d/71-nvidia.rules

將所有行數全部加上#註解掉，防止Nvidia程式一直嘗試載入驅動導致開機卡在NVRM: GPU ... is already bound to vfio-pci.的訊息。
停用nvidia-persistenced服務，防止程式一直嘗試載入Nvidia驅動

sudo systemctl disable nvidia-persistenced

之後要改用Intel內顯開機，不過Intel的顯示驅動不需要裝，通常已經含在Linux的Mesa套件裡面了。
貼上以下指令，查找獨顯和HDMI裝置的ID

#!/bin/bash
shopt -s nullglob
for g in /sys/kernel/iommu_groups/*; do
    echo "IOMMU Group ${g##*/}:"
    for d in $g/devices/*; do
        echo -e "\t$(lspci -nns ${d##*/})"
    done;
done;

找到GTX 1050Ti和顯示卡的HDMI音訊裝置，像這裡是Group 2。將後面的二個硬體ID記起來，例如10de:1c82和10de:0fb9。

IOMMU Group 2:
        01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP107 [GeForce GTX 1050 Ti] [10de:1c82] (rev a1)
        01:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GP107GL High Definition Audio Controller [10de:0fb9] (rev a1)

修改Linux的initramfs設定檔：

sudo vim /etc/initramfs-tools/modules

設定開機儘早載入VFIO，這也可以防止接著Nvidia顯示卡的副螢幕開機時被意外喚醒。最後面ids=將Nvidia顯示卡綁定給VFIO。

vfio vfio_iommu_type1 vfio_virqfd vfio_pci ids=10de:1c82,10de:0fb9

設定開機載入VFIO核心模組

sudo vim /etc/modprobe.d/vfio.conf

加入以下選項

options vfio-pci ids=10de:1c82,10de:0fb9

5. 隔離Nvidia GPU
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接下來的步驟要防止Linux開機的時候搶走Nvidia顯示卡的控制權。這有很多種作法，比如將Nvidia核心模組加入黑名單(blacklist)禁止載入。或者調整核心模組載入順序，確保VFIO可以搶先Nvidia核心模組載入。

設定VFIO先於Nvidia驅動載入

sudo vim /etc/modprobe.d/nvidia.conf

填入以下內容：

softdep nouveau pre: vfio-pci
softdep nvidia pre: vfio-pci
softdep nvidia* pre: vfio-pci

防止KVM錯誤更正導致Windows虛擬機進入BSOD。

sudo vim /etc/modprobe.d/kvm.conf

填入以下內容：

options kvm ignore_msrs=1

更新initramfs和GRUB，重開機

sudo update-initramfs -u -k all

sudo update-grub

sudo reboot

重開機一直按著delete，進到UEFI，開啟內顯優先模式。我的是在Advanced → System Agent (SA) Configuration，設定「內顯(IGFX)」優先開機，並開啟「混合螢幕輸出」。
主螢幕改插到內顯的HDMI孔，副螢幕插到獨顯的HDMI孔（如果沒有二個螢幕就讓Nvidia顯示卡的孔空著）
重開機進入Linux系統，理論上此時副螢幕應該不會有任何畫面輸出。
執行sudo lspci -nnk指令，應該會看到Nvidia顯示卡Kernel driver in use:是為vfio-pci

01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP107 [GeForce GTX 1050 Ti] [10de:1c82] (rev a1)
        Subsystem: ASUSTeK Computer Inc. GP107 [GeForce GTX 1050 Ti] [1043:85d6]
        Kernel driver in use: vfio-pci
        Kernel modules: nvidiafb, nouveau
01:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GP107GL High Definition Audio Controller [10de:0fb9] (rev a1)
        Subsystem: ASUSTeK Computer Inc. GP107GL High Definition Audio Controller [1043:85d6]
        Kernel driver in use: vfio-pci
        Kernel modules: snd_hda_intel