PyTorch~调用CUDA算子2

通过举例说明如何给pytorch 加入有趣的新 CUDA 算子(包括前向和反向)。

本文的代码,在 win10 和 linux 均可直接编译运行:

https://github.com/BlinkDL/RWKV-CUDAgithub.com/BlinkDL/RWKV-CUDA

先看需提速的操作,在我的 RWKV 语言模型【 GitHub - BlinkDL/AI-Writer AI 写小说:https://github.com/BlinkDL/AI-Writer 】,类似 depthwise 一维卷积,伪代码:

w.shape = (C, T)
k.shape = (B, C, T)
out.shape = (B, C, T)
out[b][c][t] = eps + sum_u{ w[c][(T-1)-(t-u)] * k[b][c][u] } 这里 u 从 0 到 t

用代码写(四重循环):

    out = torch.empty((B, C, T), device='cuda')
    for b in range(B):
        for c in range(C):
            for t in range(T):
                s = eps
                for u in range(0, t+1):
                    s += w[c][(T-1)-(t-u)] * k[b][c][u]
                out[b][c][t] = s
    return out

这个操作,用 pytorch 只需一行,但实际速度不佳,尤其是,反向梯度很慢:

out = eps + F.conv1d(nn.ZeroPad2d((T-1, 0, 0, 0))(k), w.unsqueeze(1), groups=C)

因此,我们可以用 CUDA 手写算子。实际测试,正向和反向速度可以 20x。

而且,这里的代码还有很多优化的空间。还望各位 CUDA 高手指导如何进一步优化,多谢多谢。

如果你从未尝试给 pytorch 添加 CUDA 算子,可以先阅读下面这个教程:

godweiyang:熬了几个通宵,我写了份CUDA新手入门代码

下面我们看看,如何逐步优化 CUDA kernel 的写法。

1. 最简单的 CUDA Kernel 写法

最简单的写法,是直接在每个 thread 求和。这会有大量内存存取,因此效率很低。速度为 45 毫秒。但也比 pytorch 的 94 毫秒更快了。

Grid 和 Block:

dim3 gridDim(1, B * C);
dim3 blockDim(T); // 注意,我们先只在 T 分 thread,因为这样的代码简单,而且效率也够高
kernel_forward<<<gridDim, blockDim>>>(w, k, x, eps, B, C, T);

Kernel:

template <typename F>
__global__ void kernel_forward(const F *__restrict__ const w, const F *__restrict__ const k, F *__restrict__ const x,
                               const F eps, const int B, const int C, const int T)
{
    const int i = blockIdx.y;
    const int t = threadIdx.x;

    F s = eps;
    const F *__restrict__ const www = w + (i % C) * T + (T - 1) - t;
    const F *__restrict__ const kk = k + i * T;
    for (int u = 0; u <= t; u++)
    {
        s += www[u] * kk[u];
    }
    x[i * T + t] = s;
}

2. 运用 shared memory 改善存取效率

优化 CUDA kernel 的第一步,是用 shared memory(就像矩阵乘法做 tiling)。速度提升到 17 毫秒。

template <typename F>
__global__ void kernel_forward(const F *__restrict__ const w, const F *__restrict__ const k, F *__restrict__ const x,
                               const F eps, const int B, const int C, const int T)
{
    const int i = blockIdx.y;
    const int t = threadIdx.x;

    __shared__ F ww[1024]; // 这里限制了 T <= 1024 因为我实际只会用到这么多
    __shared__ F kk[1024];
    ww[t] = w[(i % C) * T + t];
    kk[t] = k[i * T + t];

    __syncthreads();

    F s = eps;
    const F *__restrict__ const www = ww + (T - 1) - t;
    for (int u = 0; u <= t; u++)
    {
        s += www[u] * kk[u];
    }
    x[i * T + t] = s;
}

我们在每个 CUDA thread,预先读取 w 和 k 进入 shared memory 中的 ww 和 kk,然后 __syncthreads() 等待全部读取完毕,然后可使用速度快得多的 ww 和 kk。

3. 将 thread 四合一,并运用 float4 告诉 nvcc 产生 SIMD 代码

优化 CUDA kernel 的第二步,可能是解决 bank conflict,不过,这个话题比较复杂。

我们看另一个简单易懂的步骤:将 thread 四合一,这通常是个好主意。速度提升到 14 毫秒。

Grid 和 Block:

dim3 gridDim(1, B * C);
dim3 blockDim(T >> 2); // 四合一,这里需要保证 T%4 == 0,因为我没有处理除不尽的情况
kernel_forward<<<gridDim, blockDim>>>(w, k, x, eps, B, C, T);

然后 CUDA 有个 float4 结构,是 4 个 float 合起来。如果用它,更容易让 nvcc 产生 SIMD 代码。

Kernel:

template <typename F>
__global__ void kernel_forward(const F *__restrict__ const w, const F *__restrict__ const k, F *__restrict__ const x,
                               const F eps, const int B, const int C, const int T) {
    const int i = blockIdx.y;
    const int tt = threadIdx.x;
    const int t = tt << 2;

    __shared__ F wk[2048]; // 这里我们将 w 和 k 也合并了,以后会有好处
    ((float4 *)wk)[tt] = ((float4 *)w)[(i % C) * (T >> 2) + tt];
    ((float4 *)wk)[256 + tt] = ((float4 *)k)[i * (T >> 2) + tt];
    __syncthreads();

    float4 s = {eps, eps, eps, eps};

    const F *__restrict__ const ww = wk + T - t - 4;
    const F *__restrict__ const kk = wk + 1024;
    for (int u = 0; u <= t; u++) {
        F x = kk[u];
        s.x += ww[u + 3] * x;
        s.y += ww[u + 2] * x;
        s.z += ww[u + 1] * x;
        s.w += ww[u + 0] * x;
    }
    s.y += ww[t + 3] * kk[t + 1];
    s.z += ww[t + 2] * kk[t + 1];
    s.z += ww[t + 3] * kk[t + 2];
    s.w += ww[t + 1] * kk[t + 1];
    s.w += ww[t + 2] * kk[t + 2];
    s.w += ww[t + 3] * kk[t + 3];

    ((float4 *)x)[i * (T >> 2) + tt] = s;
}

可见,四合一还有额外的好处:循环可以重用 k[u],进一步减少了内存读取。

4. 继续将 B 分组整合

@有了琦琦的棍子(//www.zhihu.com/people/581a2fcdf24763fbb9ec2900065986b4)指出,之前我们每个 thread 都只处理一行 T,但是,注意到 w 在 B 向是共享的,所以应该每个 thread 处理多个 w 重复的行。

我实验了代码,的确可以将正向速度提速几倍,速度提升到 3.4 毫秒。而对于反向,只有 grad_K 可利用重复的 w,所以效应弱一些。

dim3 gridDim(1, B * C / BF);
dim3 blockDim(T >> 2);
kernel_forward<<<gridDim, blockDim>>>(w, k, x, eps, B, C, T);

正向可以用 BF = 8,即,每个 thread 处理 8 个 B。反向似乎只适合 thread 处理 2 个 B。

// require T <= Tmax, T % 4 == 0, B % BF == 0, B % BB === 0 (Tmax and BF and BB are passed by compiler)

#define F4(A, B) ((float4 *)(A))[(B) >> 2]

template <typename F>
__global__ void kernel_forward(const F *__restrict__ const __w, const F *__restrict__ const __k, F *__restrict__ const x,
                               const F eps, const int B, const int C, const int T) {
    const int i = blockIdx.y;
    const int ij = (B * C) / BF;
    const int t = threadIdx.x << 2;

    __shared__ F ww[Tmax];
    __shared__ F kk[Tmax * BF];
    F4(ww, t) = F4(__w, t + T * (i % C));
    
    #pragma unroll
    for (int j = 0; j < BF; j++) {
        F4(kk, t + Tmax * j) = F4(__k, t + T * (i + ij * j));
    }
    __syncthreads();

    float4 s[BF];
    #pragma unroll
    for (int j = 0; j < BF; j++) {
        s[j] = {eps, eps, eps, eps};
    }
    const F *__restrict__ const w = ww + T - t - 4;
    for (int u = 0; u <= t; u++) {
        #pragma unroll
        for (int j = 0; j < BF; j++) {
            const F x = kk[u + Tmax * j];
            s[j].x += w[u + 3] * x;
            s[j].y += w[u + 2] * x;
            s[j].z += w[u + 1] * x;
            s[j].w += w[u + 0] * x;
        }
    }
    #pragma unroll
    for (int j = 0; j < BF; j++) {
        const F *__restrict__ const k = kk + Tmax * j;
        s[j].y += w[t + 3] * k[t + 1];
        s[j].z += w[t + 2] * k[t + 1];
        s[j].z += w[t + 3] * k[t + 2];
        s[j].w += w[t + 1] * k[t + 1];
        s[j].w += w[t + 2] * k[t + 2];
        s[j].w += w[t + 3] * k[t + 3];
        F4(x, t + T * (i + ij * j)) = s[j];
    }
}

5. 对齐每个 thread 的任务长度

@有了琦琦的棍子同时指出,目前每个 thread 的任务长度不同(因为 t 不同),因此会降低效率(快的 thread 会等慢的 thread)。我预计这个改动可以让速度再提升一倍,稍后加入。

6. 进一步优化

下面怎么进一步优化?还请各位 CUDA 高手指导。可以先看看 B=32,C=768,T=768 的情况,多谢多谢。

本文的代码,在 win10 和 linux 均可直接编译运行:

https://github.com/BlinkDL/RWKV-CUDAgithub.com/BlinkDL/RWKV-CUDA

 whaosoft aiot http://143ai.com

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