AI應(yīng)用的大腦是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基石是一個(gè)個(gè)算子。為了讓開(kāi)發(fā)者的網(wǎng)絡(luò)在昇騰硬件上高效運(yùn)行，昇騰異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)CANN（Compute Architecture for Neural Networks）提供了豐富的高性能算子庫(kù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)、線性代數(shù)計(jì)算庫(kù)等，高性能算子數(shù)量達(dá)到1400+。有了高性能算子庫(kù)的支撐，主流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可輕松在昇騰硬件上高效運(yùn)行。

但隨著人工智能的爆發(fā)式增長(zhǎng)，算法更新層出不窮，固定的高性能算子庫(kù)可能無(wú)法完全滿足開(kāi)發(fā)者的多樣化創(chuàng)新需求，為了讓開(kāi)發(fā)者提出的創(chuàng)新算法能夠在硬件上運(yùn)行起來(lái)，自定義算子開(kāi)發(fā)的能力必不可少。

但算子開(kāi)發(fā)是個(gè)復(fù)雜的工程，需要考慮眾多因素，包括語(yǔ)言學(xué)習(xí)成本、功能邏輯的實(shí)現(xiàn)、硬件指令的適配、以及算子運(yùn)行精度與性能的達(dá)標(biāo)等等。往往一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的算法專(zhuān)家開(kāi)發(fā)一個(gè)高性能的算子都要耗時(shí)數(shù)周甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

算子開(kāi)發(fā)總體流程

為提升算子開(kāi)發(fā)效率，降低算子開(kāi)發(fā)成本，昇騰推出了面向算子開(kāi)發(fā)場(chǎng)景的昇騰Ascend編程語(yǔ)言。昇騰Ascend編程語(yǔ)言原生支持C和C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最大化匹配用戶開(kāi)發(fā)習(xí)慣；通過(guò)多層接口抽象，屏蔽了底層硬件差異；通過(guò)自動(dòng)并行計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)，在保證性能的同時(shí)大大降低算子開(kāi)發(fā)門(mén)檻。另外，昇騰Ascend提供了孿生調(diào)試功能，大大縮短了算子調(diào)測(cè)時(shí)間。

昇騰Ascend C編程語(yǔ)言在異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)CANN中的位置

多層級(jí)高性能類(lèi)庫(kù)接口

工欲善其事，必先利其器。為簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)邏輯，昇騰Ascend支持結(jié)構(gòu)化核函數(shù)編程，提供了面向不同場(chǎng)景的高性能類(lèi)庫(kù)接口。開(kāi)發(fā)者僅需通過(guò)類(lèi)庫(kù)接口的組裝調(diào)用，即可輕松實(shí)現(xiàn)高性能算子。

昇騰Ascend C提供的類(lèi)庫(kù)接口

AI應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，開(kāi)發(fā)者的背景與需求也各不相同。為滿足不同層級(jí)開(kāi)發(fā)者的訴求，昇騰Ascend針對(duì)計(jì)算接口和數(shù)據(jù)搬移接口，進(jìn)行了分層分級(jí)，讓開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)自身需求選擇合適的接口。

針對(duì)計(jì)算類(lèi)接口，當(dāng)前昇騰Ascend支持三個(gè)層級(jí)，其中級(jí)數(shù)越低，自由度越高，更易于表達(dá)復(fù)雜場(chǎng)景所需功能；級(jí)數(shù)越高，接口的封裝度越高，更易于表達(dá)常用語(yǔ)義，使用起來(lái)也更簡(jiǎn)單。

計(jì)算接口分層分級(jí)與示例

針對(duì)搬移類(lèi)接口，昇騰Ascend C將不同類(lèi)型物理內(nèi)存間的數(shù)據(jù)搬移抽象為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)搬運(yùn)接口，通過(guò)參數(shù)控制不同的搬運(yùn)級(jí)別，從而滿足不同數(shù)據(jù)搬運(yùn)場(chǎng)景的需求。

數(shù)據(jù)搬運(yùn)接口分層分級(jí)與示例

另外，多層級(jí)的類(lèi)庫(kù)接口封裝，可以更好地屏蔽不同型號(hào)硬件間的差異，輕松實(shí)現(xiàn)算子代碼對(duì)不同硬件的兼容。

自動(dòng)并行計(jì)算

多層級(jí)的類(lèi)庫(kù)接口可以讓開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)算子的算法邏輯，達(dá)成預(yù)期功能。但一個(gè)好的算子，計(jì)算效率也是必須考慮的重要指標(biāo)。眾所周知，將任務(wù)并行處理是提高計(jì)算效率的關(guān)鍵手段，但AI處理器的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、數(shù)據(jù)通路多，數(shù)據(jù)之間的依賴(lài)關(guān)系復(fù)雜，這種場(chǎng)景下，并行計(jì)算之間的流水如何排布，各任務(wù)間的數(shù)據(jù)同步如何實(shí)現(xiàn)，往往是比較困難的。

為了方便開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)高效的并行計(jì)算，昇騰Ascend采用SPMD（Single-Program Multiple-Data）并行模式，開(kāi)發(fā)者僅需關(guān)注一個(gè)計(jì)算核心上的算子程序?qū)崿F(xiàn)，程序調(diào)用時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)N個(gè)運(yùn)行實(shí)例（我們稱(chēng)之為Block），每個(gè)實(shí)例都可部署到不同的計(jì)算核心上執(zhí)行。由此，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)者在多個(gè)計(jì)算核心上的并行編程邏輯。

單程序多數(shù)據(jù)SPMD并行計(jì)算

在算子邏輯實(shí)現(xiàn)上，昇騰Ascend C基于流水線并行的編程范式，將算子核心邏輯劃分為“搬入、計(jì)算、搬出”，開(kāi)發(fā)者只需聚焦實(shí)現(xiàn)“搬入、計(jì)算、搬出”內(nèi)容，程序運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將核內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，每一片數(shù)據(jù)都專(zhuān)注完成單一功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能最大化。

核內(nèi)多片數(shù)據(jù)流水線并行調(diào)度

孿生調(diào)試

昇騰Ascend提供的多層級(jí)類(lèi)庫(kù)接口以及自動(dòng)并行計(jì)算功能，給開(kāi)發(fā)者提供了輕松高效的編碼體驗(yàn)。但在上一代算子開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程中，代碼編寫(xiě)的時(shí)間往往僅占不到30%，剩下70%多的時(shí)間都在進(jìn)行功能與性能調(diào)試，好的調(diào)試能力對(duì)提升端到端開(kāi)發(fā)效率的重要性不言而喻。

開(kāi)發(fā)時(shí)間占比示例

那為什么算子調(diào)試如此耗時(shí)呢？究其主要原因，一方面是由于NPU環(huán)境下本身調(diào)試?yán)щy，另一方面是因?yàn)榫幊踢^(guò)程隱藏了并行細(xì)節(jié)，導(dǎo)致同步死鎖、地址越界、數(shù)據(jù)溢出等問(wèn)題難定位。

為提升算子調(diào)試效率，昇騰Ascend C提供了孿生調(diào)試能力，開(kāi)發(fā)者既可以在CPU域進(jìn)行調(diào)試調(diào)優(yōu)，又可以在NPU域進(jìn)行調(diào)優(yōu)驗(yàn)證，通過(guò)CPU域與NPU域相結(jié)合的方式，降低調(diào)試難度，提升調(diào)試效率。

在CPU域，開(kāi)發(fā)者可通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)C++工具GCC編譯器進(jìn)行編譯，并通過(guò)GDB通用調(diào)試工具進(jìn)行單步調(diào)試，精準(zhǔn)驗(yàn)證程序執(zhí)行流程是否符合預(yù)期。另外，昇騰Ascend還提供了主動(dòng)Bug分析工具，方便開(kāi)發(fā)者快速進(jìn)行問(wèn)題定位；在NPU域，昇騰Ascend C提供了仿真調(diào)試能力與上板調(diào)試能力，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)仿真調(diào)試的Profiling流水圖、指令日志以及數(shù)據(jù)日志，精準(zhǔn)進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)，也可以通過(guò)上板調(diào)試進(jìn)行真實(shí)行為的驗(yàn)證。孿生調(diào)試的能力，在提升算子調(diào)試效率的同時(shí)又可保證精度與性能的達(dá)標(biāo)。

昇騰Ascend C孿生調(diào)試

人工智能蓬勃發(fā)展，算法創(chuàng)新層出不窮。昇騰Ascend編程語(yǔ)言通過(guò)易上手、高性能、易調(diào)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)發(fā)者的創(chuàng)新算法更輕松高效地運(yùn)行奠定了基石，讓基于昇騰的AI創(chuàng)新更加簡(jiǎn)單。

昇騰Ascend C算子開(kāi)發(fā)快速體驗(yàn)