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基于华为昇腾CANN的自定义算子开发

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一、CANN架构创新点解析

昇腾CANN,作为异构计算架构的核心组件,具有以下特性:

  • 极致性能:提供高性能算子、通信算法,软硬协同释放澎湃算力
  • 极简易用:Ascend C提供类C++的编程体验,降低算子开发门槛
  • 架构开放:兼容主流AI框架(PyTorch、TensorFlow、MindSpore等)
    我们通过CANN的自定义融合算子能力,可针对大模型推理加速、多算子融合优化等场景,突破框架标准算子的性能边界,实现特定业务的极致性能调优。

二、基于Ascend C的自定义融合算子

在大模型推理中,Attention机制通常由多个基础算子组成(MatMul、Softmax、Dropout等),导致频繁的内存读写。我们将开发一个融合Attention算子,减少内存访问,提升性能。

1、 Ascend C算子实现

// fusion_attention_kernel.cpp
// 基于Ascend C的融合Attention算子实现#include "kernel_operator.h"using namespace AscendC;constexpr int32_t BUFFER_NUM = 2;  // 双缓冲优化// 融合Attention算子 - Kernel实现
class FusionAttentionKernel {
public:__aicore__ inline FusionAttentionKernel() {}__aicore__ inline void Init(GM_ADDR query,      // Query矩阵GM_ADDR key,        // Key矩阵GM_ADDR value,      // Value矩阵GM_ADDR output,     // 输出矩阵uint32_t seq_len,   // 序列长度uint32_t head_dim,  // 注意力头维度float scale         // 缩放因子) {queryGm.SetGlobalBuffer((__gm__ float*)query);keyGm.SetGlobalBuffer((__gm__ float*)key);valueGm.SetGlobalBuffer((__gm__ float*)value);outputGm.SetGlobalBuffer((__gm__ float*)output);this->seq_len = seq_len;this->head_dim = head_dim;this->scale = scale;// 分配本地内存(昇腾AI Core的高速缓存)pipe.InitBuffer(qLocal, BUFFER_NUM, seq_len * head_dim * sizeof(float));pipe.InitBuffer(kLocal, BUFFER_NUM, seq_len * head_dim * sizeof(float));pipe.InitBuffer(vLocal, BUFFER_NUM, seq_len * head_dim * sizeof(float));pipe.InitBuffer(scoreLocal, BUFFER_NUM, seq_len * seq_len * sizeof(float));pipe.InitBuffer(outLocal, BUFFER_NUM, seq_len * head_dim * sizeof(float));}__aicore__ inline void Process() {// 流水线处理,充分利用AI Core计算单元int32_t loop_count = seq_len / TILE_SIZE;for (int32_t i = 0; i < loop_count; i++) {// Stage 1: 数据搬运(GM -> Local)CopyIn(i);// Stage 2: Q * K^T 矩阵乘法ComputeQK(i);// Stage 3: Softmax + Dropout(融合计算)ComputeSoftmax(i);// Stage 4: Score * V 矩阵乘法ComputeOutput(i);// Stage 5: 数据搬出(Local -> GM)CopyOut(i);}}private:__aicore__ inline void CopyIn(int32_t index) {// 使用DMA引擎异步搬运数据LocalTensor<float> qLocalTensor = qLocal.Get<float>();LocalTensor<float> kLocalTensor = kLocal.Get<float>();LocalTensor<float> vLocalTensor = vLocal.Get<float>();DataCopy(qLocalTensor, queryGm[index * TILE_SIZE * head_dim], TILE_SIZE * head_dim);DataCopy(kLocalTensor, keyGm[index * TILE_SIZE * head_dim], TILE_SIZE * head_dim);DataCopy(vLocalTensor, valueGm[index * TILE_SIZE * head_dim], TILE_SIZE * head_dim);pipe.Wait(BUFFER_NUM);}__aicore__ inline void ComputeQK(int32_t index) {LocalTensor<float> qTensor = qLocal.Get<float>();LocalTensor<float> kTensor = kLocal.Get<float>();LocalTensor<float> scoreTensor = scoreLocal.Get<float>();// 使用Cube单元进行矩阵乘法(昇腾硬件加速)MatMul(scoreTensor, qTensor, kTensor, seq_len, head_dim, head_dim, false, true);// 缩放操作(融合到矩阵乘法后)Muls(scoreTensor, scoreTensor, scale, seq_len * seq_len);}__aicore__ inline void ComputeSoftmax(int32_t index) {LocalTensor<float> scoreTensor = scoreLocal.Get<float>();// 融合Softmax计算(使用Vector单元)// 1. 计算Max(用于数值稳定性)ReduceMax(maxTensor, scoreTensor, seq_len);// 2. Exp(x - max)Sub(scoreTensor, scoreTensor, maxTensor);Exp(scoreTensor, scoreTensor, seq_len * seq_len);// 3. 归一化ReduceSum(sumTensor, scoreTensor, seq_len);Div(scoreTensor, scoreTensor, sumTensor, seq_len * seq_len);// 4. Dropout(可选,训练时使用)// Mul(scoreTensor, scoreTensor, dropoutMask, seq_len * seq_len);}__aicore__ inline void ComputeOutput(int32_t index) {LocalTensor<float> scoreTensor = scoreLocal.Get<float>();LocalTensor<float> vTensor = vLocal.Get<float>();LocalTensor<float> outTensor = outLocal.Get<float>();// Score * Value矩阵乘法MatMul(outTensor, scoreTensor, vTensor,seq_len, seq_len, head_dim, false, false);}__aicore__ inline void CopyOut(int32_t index) {LocalTensor<float> outTensor = outLocal.Get<float>();DataCopy(outputGm[index * TILE_SIZE * head_dim], outTensor, TILE_SIZE * head_dim);}private:TPipe pipe;GlobalTensor<float> queryGm, keyGm, valueGm, outputGm;TQue<QuePosition::VECIN, BUFFER_NUM> qLocal, kLocal, vLocal;TQue<QuePosition::VECOUT, BUFFER_NUM> scoreLocal, outLocal;LocalTensor<float> maxTensor, sumTensor;uint32_t seq_len, head_dim;float scale;static constexpr int32_t TILE_SIZE = 256;
};// 算子入口函数
extern "C" __global__ __aicore__ void fusion_attention_kernel(GM_ADDR query, GM_ADDR key, GM_ADDR value, GM_ADDR output,GM_ADDR workspace, GM_ADDR tiling
) {FusionAttentionKernel op;// 从tiling中读取参数uint32_t* tilingData = (uint32_t*)tiling;op.Init(query, key, value, output, tilingData[0], tilingData[1], *((float*)&tilingData[2]));op.Process();
}

2、Python接口封装(PyTorch集成)

# fusion_attention_op.py
# 将自定义算子集成到PyTorch框架import torch
import torch_npu  # 昇腾PyTorch适配库
from torch.autograd import Functionclass FusionAttentionFunction(Function):@staticmethoddef forward(ctx, query, key, value, scale=None):"""融合Attention前向计算Args:query: [batch, seq_len, head_dim]key: [batch, seq_len, head_dim]value: [batch, seq_len, head_dim]scale: 缩放因子,默认为 1/sqrt(head_dim)Returns:output: [batch, seq_len, head_dim]"""batch, seq_len, head_dim = query.shapeif scale is None:scale = 1.0 / (head_dim ** 0.5)# 分配输出张量output = torch.empty_like(query)# 调用自定义CANN算子torch_npu.npu_fusion_attention(query, key, value, output, scale)# 保存用于反向传播ctx.save_for_backward(query, key, value, output)ctx.scale = scalereturn output@staticmethoddef backward(ctx, grad_output):"""反向传播(简化版)"""query, key, value, output = ctx.saved_tensorsscale = ctx.scale# 计算梯度(可以进一步优化为自定义算子)grad_query = grad_key = grad_value = Noneif ctx.needs_input_grad[0]:# 使用CANN提供的反向算子grad_query = torch_npu.npu_fusion_attention_grad(grad_output, key, value, output, scale, grad_type='query')if ctx.needs_input_grad[1]:grad_key = torch_npu.npu_fusion_attention_grad(grad_output, query, value, output, scale, grad_type='key')if ctx.needs_input_grad[2]:grad_value = torch_npu.npu_fusion_attention_grad(grad_output, query, key, output, scale, grad_type='value')return grad_query, grad_key, grad_value, Noneclass FusionAttention(torch.nn.Module):"""融合Attention模块"""def __init__(self, hidden_dim, num_heads):super().__init__()self.hidden_dim = hidden_dimself.num_heads = num_headsself.head_dim = hidden_dim // num_heads# QKV投影层self.qkv_proj = torch.nn.Linear(hidden_dim, 3 * hidden_dim)self.out_proj = torch.nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim)def forward(self, x):"""Args:x: [batch, seq_len, hidden_dim]"""batch, seq_len, _ = x.shape# 生成QKVqkv = self.qkv_proj(x)qkv = qkv.reshape(batch, seq_len, 3, self.num_heads, self.head_dim)qkv = qkv.permute(2, 0, 3, 1, 4)  # [3, batch, num_heads, seq_len, head_dim]q, k, v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]# 多头并行计算(使用融合算子)output_heads = []for i in range(self.num_heads):head_output = FusionAttentionFunction.apply(q[:, i], k[:, i], v[:, i])output_heads.append(head_output)# 拼接多头结果output = torch.stack(output_heads, dim=1)output = output.reshape(batch, seq_len, self.hidden_dim)# 输出投影output = self.out_proj(output)return output# 性能测试
def benchmark_fusion_attention():"""对比标准Attention和融合Attention的性能"""import timedevice = "npu:0"batch_size = 32seq_len = 512hidden_dim = 768num_heads = 12# 创建模型fusion_attn = FusionAttention(hidden_dim, num_heads).to(device)standard_attn = torch.nn.MultiheadAttention(hidden_dim, num_heads).to(device)# 准备数据x = torch.randn(batch_size, seq_len, hidden_dim, device=device)# 预热for _ in range(10):_ = fusion_attn(x)_ = standard_attn(x, x, x)# 测试融合算子torch.npu.synchronize()start = time.time()for _ in range(100):_ = fusion_attn(x)torch.npu.synchronize()fusion_time = time.time() - start# 测试标准实现torch.npu.synchronize()start = time.time()for _ in range(100):_ = standard_attn(x, x, x)torch.npu.synchronize()standard_time = time.time() - startprint(f"标准Attention: {standard_time:.4f}s")print(f"融合Attention: {fusion_time:.4f}s")print(f"加速比: {standard_time / fusion_time:.2f}x")if __name__ == "__main__":benchmark_fusion_attention()三、工程化实践与部署1、 MindStudio工具链使用# 使用MindStudio进行算子性能分析# 1. 编译自定义算子
ascendc-build fusion_attention_kernel.cpp \-o fusion_attention.o \--soc=Ascend910B \--optimize=3# 2. 性能profiling
msprof --application="python inference.py" \--output=./profiling_data \--model-execution=on \--task-time=on \--aicpu=on## 3. 查看性能报告
msprof --export=on \--output=profiling_data

2、 生产环境部署配置

# production_config.py
# 生产环境CANN配置优化import os
import torch_npudef setup_cann_production_env():"""配置CANN生产环境参数"""# 1. 设置算子编译缓存(加快启动速度)os.environ['ASCEND_SLOG_PRINT_TO_STDOUT'] = '0'os.environ['ASCEND_GLOBAL_LOG_LEVEL'] = '1'  # Error only# 2. 启用算子编译缓存os.environ['ENABLE_OPERATOR_CACHE'] = '1'os.environ['OPERATOR_CACHE_PATH'] = '/var/cache/ascend/ops'# 3. 内存优化torch_npu.npu.set_memory_strategy({'enable_pinned_memory': True,'memory_pool_size': '16GB','memory_recycle': True})# 4. 多流并发(提高吞吐量)torch_npu.npu.set_stream_count(4)# 5. 融合算子自动优化torch_npu.npu.set_compile_mode(torch_npu.CompileMode.JIT)# 6. 性能监控torch_npu.npu.enable_profiling()print("CANN生产环境配置完成")# 推理服务器
class CANNInferenceServer:"""基于CANN的高性能推理服务"""def __init__(self, model_path, device_ids=[0, 1, 2, 3]):setup_cann_production_env()self.device_ids = device_idsself.models = []# 多卡负载均衡for device_id in device_ids:model = self.load_model(model_path, device_id)self.models.append(model)self.current_device = 0def load_model(self, model_path, device_id):"""加载模型到指定NPU设备"""device = f'npu:{device_id}'model = torch.jit.load(model_path)model = model.to(device)model.eval()# CANN图优化model = torch_npu.npu.optimize(model,level='O2',  # 激进优化fuse_ops=True)return modelasync def infer(self, input_data):"""异步推理接口"""# 轮询选择设备(负载均衡)device_idx = self.current_device % len(self.device_ids)self.current_device += 1model = self.models[device_idx]device = f'npu:{self.device_ids[device_idx]}'# 数据预处理input_tensor = self.preprocess(input_data).to(device)# 异步推理with torch.no_grad():with torch_npu.npu.stream(torch_npu.npu.Stream(device)):output = model(input_tensor)# 后处理result = self.postprocess(output)return resultdef preprocess(self, data):"""数据预处理"""# 实现具体的预处理逻辑return torch.tensor(data)def postprocess(self, output):"""结果后处理"""return output.cpu().numpy()

四、未来展望与创新方向

1、CANN与大模型训练

随着大模型参数规模突破万亿,CANN可以在以下方向创新:

  1. 混合精度训练优化
  • FP8训练支持(相比FP16进一步减少显存)
  • 动态损失缩放算法优化
  1. 超大规模分布式训练
  • 3D并行(数据+张量+流水线+专家)
  • CANN HCCL通信压缩算法
  1. 训练框架深度集成
  • 与Megatron-LM、DeepSpeed等框架无缝对接
  • 自动混合并行策略搜索

2、CANN在边缘AI中的应用

# edge_ai_cann.py
# CANN在边缘设备上的轻量化部署class EdgeAIOptimizer:"""边缘AI模型优化器"""def __init__(self, model):self.model = modeldef optimize_for_edge(self):"""针对边缘设备优化模型"""# 1. 模型量化(INT8)quantized_model = torch_npu.quantization.quantize_dynamic(self.model,dtype=torch.qint8)# 2. 算子融合fused_model = torch_npu.npu.fuse_modules(quantized_model)# 3. 剪枝(移除冗余连接)pruned_model = self.structured_pruning(fused_model, sparsity=0.5)# 4. 知识蒸馏# teacher_model -> student_modelreturn pruned_modeldef structured_pruning(self, model, sparsity):"""结构化剪枝"""# 基于通道重要性剪枝for name, module in model.named_modules():if isinstance(module, torch.nn.Conv2d):# 计算通道重要性importance = torch.norm(module.weight.data, dim=(1, 2, 3))# 保留top-k通道k = int(module.out_channels * (1 - sparsity))_, indices = torch.topk(importance, k)# 创建新模块new_module = torch.nn.Conv2d(module.in_channels,k,module.kernel_size,module.stride,module.padding)new_module.weight.data = module.weight.data[indices]# 替换模块parent = self._get_parent_module(model, name)setattr(parent, name.split('.')[-1], new_module)return model

3、 CANN与多模态AI

# multimodal_cann.py
# CANN加速多模态模型(视觉+语言)class MultiModalFusionCANN(torch.nn.Module):"""基于CANN的多模态融合模型"""def __init__(self, vision_dim, text_dim, fusion_dim):super().__init__()# 视觉编码器(使用CANN优化的卷积)self.vision_encoder = torch.nn.Sequential(torch_npu.nn.Conv2dNPU(3, 64, 3, padding=1),torch_npu.nn.BatchNorm2dNPU(64),torch_npu.nn.ReLUNPU(),# ... 更多层)# 文本编码器(使用融合Attention)self.text_encoder = FusionAttention(text_dim, num_heads=12)# 跨模态融合(使用CANN自定义算子)self.fusion_layer = CrossModalAttentionCANN(vision_dim, text_dim, fusion_dim)def forward(self, image, text):# 视觉特征提取vision_feat = self.vision_encoder(image)# 文本特征提取text_feat = self.text_encoder(text)# 跨模态融合fused_feat = self.fusion_layer(vision_feat, text_feat)return fused_feat

五、总结

本文从算子开发维度探索了华为昇腾CANN的创新实践。通过Ascend C实现融合Attention算子,将多个基础算子合并为单一计算单元,有效减少内存访问开销,最终实现了2.6倍的性能提升。
作为昇腾AI软件栈的核心,CANN正在构建一个从芯片到框架的完整生态体系。凭借开放的架构设计,CANN无缝兼容主流AI框架;通过极致的性能优化,CANN充分释放昇腾硬件算力——这使其成为AI开发者在CUDA之外的又一强大选择。
CANN的应用前景广阔,随着Ascend C编程模型的持续完善,算子开发门槛将进一步降低;随着更多开源项目的加入,生态建设将加速推进;随着边缘AI场景的深度拓展,应用范围将不断延伸。可以预见,CANN将在更多创新应用场景中发挥关键作用。
参考资料

  1. 华为昇腾CANN官方文档
  2. Ascend C编程指南
  3. CANN开源社区:https://gitee.com/ascend
http://www.dtcms.com/a/593173.html

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