CUDA-MODE课程笔记 第6课： 如何优化PyTorch中的优化器

我的课程笔记，欢迎关注：https://github.com/BBuf/how-to-optim-algorithm-in-cuda/tree/master/cuda-mode

课程内容

上面三张Slides讲述了运行时间（runtime）和内存使用（memory usage）之间的权衡关系。

第一张Slides：

• 介绍了运行时间和内存使用通常是相互矛盾的。
• 展示了两种运输车辆：一辆小卡车（代表低内存使用但速度慢）和一辆大卡车（代表高内存使用但速度快）。
• 提出了一个问题：如果要运送512辆车，应该选择哪种卡车？

第二张Slides：

• 在第一张图的基础上增加了一个新的限制条件：途中有一座低通桥。
• 这代表了在某些情况下，我们可能无法简单地选择高内存使用的方案（大卡车），因为存在硬件或系统限制。

第三张Slides：

• 明确表示"今天我们专注于速度！"
• 显示了小卡车被划掉，表明选择了大卡车（高内存使用但速度快的方案）。
• 同时提醒"这确实意味着内存会受到影响，免责声明"。

这张Slides展示了一个naive的优化器实现，核心要点是假设有M个参数，对于每个参数有N个操作，那么遍历所有参数并处理完共需要M * N个操作。

这张Slides介绍了一种称为"horizontally fused optimizer"（水平融合优化器）的优化方法，可以把naive的优化器实现中的for循环fuse掉。

这张Slides介绍了实际上我们可以把整个优化器的操作fuse成一个cuda kernel。

这张Slides传达的核心信息是：在CUDA编程中，通过减少kernel启动的次数可以提高程序的执行效率。这是因为每次启动CUDAkernel都会有一定的开销，如果能够将多个操作合并到更少的kernel中，就可以减少这些开销，从而提高整体性能。水平融合和垂直融合是实现这一目标的两种主要策略：水平融合合并了相似的并行操作；垂直融合则进一步合并了不同的计算步骤。

上面倒数第二张Slides类比了线粒体是细胞的能量工厂，而multi_tensor_apply是高速优化器的"动力卡车"。展示了一辆装载多辆小汽车的大卡车，暗示multi_tensor_apply可以同时处理多个张量。说明multi_tensor_apply允许我们对张量列表进行操作，而不是单个张量。

上面最后一张Slides，对比了普通的torch.add操作（左侧小车+小卡车）和操作（右侧大卡车装载多辆小车）。

上面的一系列Slides在讨论如何在CUDA中实现一个用于多个张量的add操作（_foreach_add）时输入应该怎么如何传递。

上面第一张Slides展示了普通的add操作和_foreach_add操作的函数签名。提供了一个普通add操作的CUDA kernel签名，假设使用float类型的Tensors，引出问题：应该怎么给_foreach_add操作的CUDA kernel写签名？

第二张和第三张Slides尝试使用来实现_foreach_add_kernel，这种方法不行，因为CUDA不识别。

第四张和第五张Slides尝试使用C风格的数组（）来实现_foreach_add_kernel，结论：这种方法也不行，会导致非法内存访问（IMA），因为外层指针是CPU地址。

Slides里面还画了一些示意图用于解释这个问题。

这两张Slides讲解了在CUDA中实现多张量操作（specifically _foreach_add）的第三种尝试方法，称为"pass by chonky boi"（通过大块数据传递）。

• 方法描述：
  • 创建一个名为TensorListMetadata的结构体，用于存储多个张量的地址信息。
  • 结构体包含一个二维数组，用于存储三组张量（可能是输入、输出和中间结果）的地址。
• 内存布局说明：
  • 紫色框代表CPU内存，绿色框代表GPU/CUDA内存。
  • 在GPU内存中，张量数据和kernel参数空间被分开存储。
  • 张量的数据指针（data_ptr()）和张量列表的地址都存储在GPU内存中。
• 结果：
  • 这种方法成功通过了编译（“It passes CI! Yay!”）。
  • 它解决了之前尝试中遇到的问题，如std::vector不被CUDA支持，以及直接使用指针数组导致的非法内存访问。

这里说明的是尝试上面的大块数据传递方式之后作者碰到了CUDA中的非法内存访问。问题似乎与张量列表的大小（N）有关。在N=423和N=424之间存在一个临界点，可能与CUDA的内存管理或某些硬件限制有关。

这里继续说明了当尝试传递大量数据（在这里是张量地址）作为kernel参数时，可能会超出CUDAkernel参数空间的4KB限制，导致程序失败。这就解释了为什么只有当NUM_TENSORS小于某个特定值（这里提到424）时，代码才能正常工作。

这里的第一张Slides期望是能够一次性将所有数据（用小汽车表示）装载到一辆大卡车上。现实是由于CUDAkernel参数空间的4KB限制，无法一次性装载所有数据，导致部分数据"掉落"。第二张Slides提出了"Attempt 4"（第四次尝试）的解决方案，建议通过多次启动kernel来解决问题，即"make more trips"（多次运输）。第三张Slides展示了当前的方法是进行水平融合（Horizontal Fusion），将多个操作合并到一个kernel中，但实际上常常会产生多个水平融合的kernel和垂直融合的kernel。

这里的第一张Slides展示了"尝试2"的回顾，目标是将CPU内存（紫色）中的数据转移到CUDA/GPU内存（绿色）中。最后提出了将紫色的指针（*）转变为绿色的想法，即将数据从CPU移到GPU。第二张Slides进一步详细说明了解决方案，即使用memcpy将地址列表复制到CUDA内存中。通过这种方法，可以避开CUDAkernel参数空间的4KB限制，从而能够启动单个kernel处理所有数据，注意，memcpy操作是昂贵的（$$$)。

第三张Slides总结了最终的解决方案，提出了结构体（struct）和memcpy的混合使用策略。左侧：如果数据量较小，符合kernel参数空间限制，就直接使用结构体传递。右侧：如果数据量超过限制，则使用memcpy将数据复制到GPU内存，然后传递指针。

这里的第一张Slides展示了水平融合（Horizontal Fusion）和垂直融合（Vertical Fusion），多个独立的操作（灰色块）首先进行水平融合，变成蓝色的块，然后这些蓝色的块可能进一步进行垂直融合，形成一个更大的绿色块。这种看起来比较麻烦的实现依赖multi_tensor_apply函数。

第二张Slides解释了 _foreach_add 和 _fused_adamw 两种操作的实现差异。_foreach_add 调用 multi_tensor_apply 时使用一个执行加法的 Callable。_fused_adamw 调用 multi_tensor_apply 时使用一个更大的 Callable。还展示了 multi_tensor_apply_kernel 的代码片段，其中包含 callable 参数。

第三张Slides继续解释了 _foreach_add 和 _fused_adamw 的实现差异并展示了 _fused_adamw 的具体实现代码。可以粗略浏览到以下内容，使用AT_DISPATCH_FLOATING_TYPES_AND2 宏来处理不同的浮点类型。调用 multi_tensor_apply_for_fused_optimizer 函数，传入 FusedAdamMathFunctor 作为参数。

这里UP主展示了FusedAdamMathFunctor的代码实现，包括两个主要部分：

• 左侧是FusedAdamMathFunctor结构体的定义，包含operator()函数的实现。
• 右侧是adam_math函数的实现，这是Adam优化器的核心计算逻辑。实现了Adam优化器的各个步骤，包括梯度计算、一阶和二阶动量更新等

这里的第三张Slides显示了"…that was very manual."的文字，暗示这种实现方式是非常手动和复杂的。

这几张Slides讲了PyTorch中的torch.compile()功能及其在优化器中的应用，主要内容如下：

• 第一张Slides介绍了torch.compile()函数。
• 第二张Slides解释了torch.compile()的主要优势是垂直融合（vertical fusion）。图示展示了如何将多个水平融合（horizontal fusion）的操作进一步垂直融合成一个更大的操作。
• 第三张Slides展示了如何在优化器中使用torch.compile()：
  • 首先创建一个AdamW优化器
  • 然后使用@torch.compile装饰器定义一个compiled_step函数
  • 在训练循环中，使用compiled_step替代原来的optimizer.step()
• 最后一张Slides展示了torch.compile()生成的Triton kernel的一部分代码。这是一个大型的、高度优化的kernel，包含了许多临时变量（tmp0, tmp1等）和复杂的数学运算。这说明torch.compile()确实可以生成非常复杂和高效的fuse kernel。

最后这张Slides展示了了 PyTorch 中编译优化器（compiled optimizers）的工作条件和使用情况。

• 需要 CUDA 功能版本 7.0 或更高以支持 Triton
• PyTorch 中所有具有 foreach 实现的优化器现在都可以编译。
• 除了 L-BFGS 和 SparseAdam 外，其他所有优化器都支持编译。
• 任何支持的 foreach* 操作序列都应该能够进行垂直融合。
• 鼓励用户尝试自己的实验性优化器。如果发现不能工作的情况，建议提交issue。

个人总结

这节课实际上就是宏观介绍了一下PyTorch的Optimizer是怎么通过CUDA kernel fuse优化的。我这里使用Claude-3-Opus-200k来总结一下这节课涉及到的要点。

下面的内容由Claude-3-Opus-200k总结而成

这堂课程的主要内容是介绍如何在PyTorch中优化优化器的性能。重点包括以下几个方面:

• 1.运行时间和内存使用之间的权衡。一般来说,提高速度往往需要更多的内存。但有时也会受到硬件或系统的限制。
• 2.优化器实现的不同方式:
  • Naive实现:简单地遍历所有参数,执行所有操作,总共需要M*N次操作。
  • 水平融合(Horizontally fused):将循环融合,减少总操作数。
  • 垂直融合(Vertically fused):将整个优化器操作融合成一个CUDA kernel。
• 3.在CUDA编程中,减少kernel启动次数可以提高效率。这可以通过水平融合(合并相似的并行操作)和垂直融合(合并不同的计算步骤)来实现。
• 4.PyTorch中的multi_tensor_apply函数允许同时对张量列表进行操作,类似于vectorized的"_foreach"操作。但需要注意CUDA kernel参数空间的4KB限制。
• 5.针对超出4KB限制的情况,可以采取的解决方案:
  • 分多次启动kernel(make more trips)
  • 使用memcpy将数据从CPU复制到GPU内存
  • 结合使用struct和memcpy:小数据量直接用struct传递,大数据量先memcpy再传递指针
• 6.手动实现水平和垂直融合的优化器(如FusedAdamW)的过程比较复杂。
• 7.PyTorch的torch.compile()功能可以自动生成高度优化的vertical fusion kernel,大大简化了编译优化器的实现。
• 8.目前PyTorch中大部分优化器都支持编译优化(compiled optimizers),但对CUDA版本有要求(>=7.0)。用户也可以尝试自己的实验性优化器。