asc-devkit 融合算子开发实战:基于 Ascend C 的 Matmul 与 LeakyRelu 融合计算全解析

原创2026-10-14 11:16:3795 阅读
文章标签:人工智能深度学习算子库CANNAscend

asc-devkit 融合算子开发实战:基于 Ascend C 的 Matmul 与 LeakyRelu 融合计算全解析

导读

本文以 asc-devkit(CANN 昇腾 AI 处理器算子开发语言仓库)中 examples/01_simd_cpp_api/00_introduction/03_fusion_operation 目录下的两个官方示例为核心,系统讲解在 Ascend C SIMD C++ API 编程模型下,如何将 Cube(矩阵计算)单元与 Vector(向量计算)单元融合起来,实现 Matmul 矩阵乘法与 LeakyRelu 激活函数的协同计算。读完本文,你将掌握两类编程范式的完整实现路径:基于 Matmul 高阶 API 的融合实现(自动封装数据搬运与 Cube 调度),以及基于静态 Tensor 编程模式 + 底层 ISASI 指令的手动融合实现(显式控制内存搬移、格式转换与流水同步),并了解 MIX 混合核编程的核间协同原理、编译运行流程与性能优化方向。

一、示例总览:两种实现一条主线

融合算子(Fusion Operator)是昇腾算子开发中的高频需求:矩阵乘法结果往往需要继续经过激活、归一化等逐元素运算才能交付下游使用。若按两个独立算子串行执行,矩阵结果需要多次往返全局内存(GM),引入大量额外搬运开销。本目录的两个示例将 Matmul(Cube 单元) 与 LeakyRelu(Vector 单元) 的计算融合进一个核函数,演示了 Cube 与 Vector 单元的协同计算编程模式。

目录名称 功能描述 支持产品
matmul_leakyrelu_advanced_api 基于 Matmul 高阶 API 实现 Matmul 矩阵乘法与 LeakyRelu 激活函数的融合计算 Ascend 950PR&950DT 产品
Atlas A3 产品
Atlas A2 产品
matmul_leakyrelu_basic_api 基于基础 API(静态 Tensor 编程模式)实现 Matmul 与 LeakyRelu 的融合计算 Ascend 950PR&950DT 产品
Atlas A3 产品
Atlas A2 产品

两个示例的核心差异在于抽象层次:

  • advanced_api 走 Matmul 高阶 API 路线:矩阵计算期间的数据移动、Cube 计算调度、基础流水同步全部由 matmul::Matmul 对象封装,开发者只需完成矩阵形状配置、tiling 生成、输入 Tensor 绑定、Vector 侧融合计算与结果写回。
  • basic_api 走静态 Tensor 编程模式:矩阵形状与内存布局在编译期确定,开发者手工编排 GM→L1→L0A/L0B→L0C→GM 的完整数据通路,显式调用 DataCopy、LoadData、Mmad、Fixpipe 等底层 ISASI 接口,并对 Cube 与 Vector 之间的核间同步负责。

无论哪种路线,两者的融合计算目标都是同一个公式(advanced 版本还多一步 Bias 加法):

# advanced_api 版本:C = A * B + Bias;C = C > 0 ? C : C * 0.001
# basic_api 版本:C = A * B;C = C >= 0 ? C : C * 0.001

1.1 支持的软硬件环境

产品 CANN 软件版本
Ascend 950PR&950DT 产品 >= CANN 9.1.0
Atlas A3 产品 >= CANN 9.0.0
Atlas A2 产品 >= CANN 9.0.0

1.2 目录结构

两个示例的工程结构完全一致(以下以 basic_api 为例,advanced_api 仅文件名不同):

matmul_leakyrelu_basic_api
├── scripts
│   ├── gen_data.py                 // 输入数据与 golden 数据生成脚本
│   └── verify_result.py            // golden 值比对脚本
├── CMakeLists.txt                  // 编译工程文件
├── data_utils.h                    // 数据读写函数
├── matmul_leakyrelu_basic_api.asc  // Ascend C 样例实现与调用示例
└── README.md                       // 样例文档

.asc 文件是 Ascend C 的算子源文件,同时包含 Device 侧核函数实现与 Host 侧调用代码(main 函数),使用 CMake 中的 ASC 语言支持编译,见 cmake/asc/asc_modules 下的 CMakeDetermineASCCompiler.cmake 等工具链定义。

二、进阶路线一:Matmul 高阶 API 融合实现(advanced_api)

2.1 样例规格与输入输出定义

该示例以 M = 512, N = 128, K = 128 为固定规格。代码中将矩阵 A 的 K 轴记为 Ka、矩阵 B 的 K 轴记为 Kb,本例中 Ka = Kb = K = 128。输入 A、B 为 half 类型,Bias 与输出 C 为 float 类型,格式均为 ND:

项 名称 Shape 数据类型 格式
算子类型(OpType) MatmulLeakyRelu - - -
输入 A [M, K] half ND
输入 B [K, N] half ND
输入 Bias [N] float ND
输出 C [M, N] float ND
核函数名 matmul_leakyrelu_custom - - -

核函数以 __mix__(1, 2) 声明,Host 侧以 numBlocks = 1 启动 1 个 AI Core 组合(1 个 AIC + 2 个 AIV)。当前 tiling 只沿 N 轴分核切分为 2 份,M 轴与 K 轴均不分核,每个 AIV 逻辑核负责 M * singleCoreN = 512 * 64 的输出区域。

2.2 Host 侧 tiling 生成流程

tiling 生成位于 matmul_leakyrelu_advanced_api.asc 的 GenerateTiling 函数中,核心步骤如下:

  1. 创建 tiling 对象:实例化 matmul_tiling::MultiCoreMatmulTiling tilingApi(*ascendcPlatform),用于生成多核 Matmul 所需的切分参数。
  2. SetDim(2):告知 tiling 侧配置 2 个 AIV 逻辑核参与 Matmul 计算启动。在 MIX 分离架构下,Matmul API 由 AIV 侧发起,因此 tiling 从 AIV 视角切分任务。
  3. 类型设置:SetAType/SetBType/SetCType/SetBiasType 分别设置 A、B、C、Bias 的数据源位置、数据格式与数据类型。其中 C 类型被设置为 VECIN,使得 Matmul 结果直接落到 Vector 侧可读取的位置,便于后续 LeakyRelu 直接消费中间结果。
  4. 形状设置:SetOrgShape(M, N, K) 设置原始完整矩阵形状;SetShape(M, N, K) 设置本次实际参与 Matmul 计算的大小(本例计算完整矩阵,两者一致)。
  5. EnableBias(true):使能 Bias 输入,让 Matmul 计算阶段完成 A * B + Bias。
  6. SetFixSplit(128, 64, 128):固定 Matmul 基础分块大小(baseM=128、baseN=64、baseK=128),保证 Kernel 侧 baseM/baseN 相关搬出逻辑与 tiling 结果一致。
  7. SetBufferSpace(-1, -1, ubSize - usedUb):设置 Matmul 可用的 L1/L0C/UB 空间。L1 与 L0C 传 -1 表示使用当前 AI 处理器对应缓冲的默认大小;UB 空间则先通过 ascendcPlatform->GetCoreMemSize(platform_ascendc::CoreMemType::UB, ubSize) 查询可用 UB 大小,再减去 usedUb = baseM * baseN * sizeof(float)——这 baseM * baseN * 4 字节的 UB 缓存是为 LeakyRelu 预留的,避免 Matmul tiling 生成时把 Vector 融合计算所需的缓存全部占用。
  8. GetTiling(tilingData):生成最终 tiling 结果,返回值 -1 表示 tiling 计算失败,结果不可继续使用。

tiling 计算所依赖的平台信息由 platform_ascendc::PlatformAscendCManager::GetInstance(...) 获取,CPU 调试模式下会按 __NPU_ARCH__ 选择具体设备型号(如 Ascend910B1、Ascend950PR_9589),NPU 直调模式则使用默认实例。

2.3 Kernel 侧整体实现

核函数签名如下(摘自 matmul_leakyrelu_advanced_api.asc):

__global__ __mix__(1, 2) void matmul_leakyrelu_custom(
    __gm__ uint8_t* a, __gm__ uint8_t* b, __gm__ uint8_t* bias, __gm__ uint8_t* c,
    __kfc_workspace__ __gm__ uint8_t* workspace, AscendC::tiling::TCubeTiling tiling)

实现要点逐条拆解:

  • 参数约定:A、B、Bias、C 均以 __gm__ uint8_t* 字节地址传入,Kernel 内部将 A/B 固定为 half、C/Bias 固定为 float,再转换为对应的 GlobalTensor(GlobalTensor 只描述 GM 上的地址与元素个数,真实的数据搬运与 L1/L0 分块由 Matmul 高阶 API 结合 tiling 完成)。workspace 使用 __kfc_workspace__ 修饰符,表示 Host 侧分配并传入的系统 workspace,注册 Matmul 对象时通过 GetSysWorkSpacePtr() 传入。
  • Matmul 对象模板参数:matmul::Matmul<MatmulType<GM, ND, half>, MatmulType<GM, ND, half>, MatmulType<VECIN, ND, float>, MatmulType<GM, ND, float>> 依次描述 A、B、C、Bias 的位置、格式与数据类型——C 使用 VECIN 与 tiling 侧 SetCType 保持一致。
  • 注册 Matmul 对象:REGIST_MATMUL_OBJ(&pipe, GetSysWorkSpacePtr(), matmulObj, &tiling) 将 TPipe、系统 workspace、Matmul 对象与 TCubeTiling 一并交给高阶 API 内部使用。
  • 核间偏移计算:用 GetBlockIdx() 取当前 AIV 侧逻辑任务号,nCoreOffset = blockIdx * tiling.singleCoreN 得到 N 方向分片起点。矩阵 A 在所有逻辑核上复用起始地址(每个逻辑块都需要完整 M、K 轴输入参与 K 轴累加),而矩阵 B、Bias、C 需要按 AIV 逻辑核号做 N 向偏移。
  • 输入绑定:SetTensorA(aGlobal)、SetTensorB(bGlobal)、SetBias(biasGlobal) 绑定当前逻辑块需要读取的输入。
  • 队列与缓存:TQue<TPosition::VECIN, 1> mmOutQueue 管理 Matmul 输出到 Vector 侧的中间结果缓存,TQue<TPosition::VECOUT, 1> reluOutQueue 管理 LeakyRelu 输出缓存;pipe.InitBuffer 为每个 baseM * baseN 输出块分配片上缓存。

2.4 Matmul 与 LeakyRelu 融合主循环

核心融合逻辑在 while (matmulObj.template Iterate<true>()) 循环中完成,每次 Iterate 产生一个 baseM * baseN = 128 * 64 输出块。由于 baseM=128、baseN=64 保持不变,每个 AIV 逻辑核需要 4 次 Iterate<true>() 才能完成自身 512 * 64 的输出区域。循环体内依次完成:

  1. mmOutQueue.AllocTensor<float>() 从 Vector 输入队列申请缓存,承接 Matmul 输出块。
  2. matmulObj.template GetTensorC<true>(mmOutLocal, false, true) 从 Matmul 对象取回当前块的 C 中间结果(第二参 false 表示不使能原子累加,第三参 true 表示按连续地址写入)。由于 C 类型为 VECIN,该中间结果可直接作为 Vector 侧 LeakyRelu 的输入。
  3. AscendC::LeakyRelu(reluOutLocal, mmOutLocal, static_cast<float>(0.001), tiling.baseM * tiling.baseN) 对当前块执行逐元素激活(负值乘 0.001),结果写入独立输出缓存 reluOutLocal。
  4. mmOutQueue.EnQue/DeQue 建立 Matmul 结果写入与后续 LeakyRelu 读取之间的数据依赖;reluOutQueue.EnQue/DeQue 建立 Vector 计算与搬出之间的数据依赖。
  5. AscendC::DataCopy(cGlobal[cOffset], reluOutLocal, AscendC::DataCopyParams{...}) 将激活后的块写回 GM 输出矩阵对应位置。
  6. matmulObj.End() 通知 Matmul 对象当前核计算结束,释放高阶 API 内部状态。

2.5 分核与地址偏移详解

  • 0 号 AIV 逻辑核处理矩阵 C 第 0~63 列,1 号 AIV 逻辑核处理第 64~127 列。
  • 矩阵 A [512, 128]:N 向分核时每个逻辑块都需要完整 M、K 轴输入,因此无分核偏移。
  • 矩阵 B [128, 128](代码中对应 [Kb, N]):起始偏移为 blockIdx * tiling.singleCoreN,指向当前 N 向分片的起始列。
  • Bias [128]:对应 N 方向的 128 列,起始偏移同样是 blockIdx * tiling.singleCoreN。
  • 矩阵 C [512, 128]:每行长度为 tiling.N = 128,逻辑块起始偏移为 blockIdx * tiling.singleCoreN。
  • 每个逻辑块内部含 singleCoreM / baseM * singleCoreN / baseN = 4 * 1 = 4 个 baseM * baseN 输出块。由于 baseN 等于 singleCoreN,单核内部只沿 M 方向遍历 base 块;写回时按当前 Iterate 轮次计算行偏移 cOffset = computeRound * baseM * tiling.N(见 matmul_leakyrelu_advanced_api.asc)。
  • M 轴与 N 轴均能被对应分块整除,因此代码中不含尾块处理逻辑。

2.6 调用实现

Host 侧使用核函数调用运算符 <<<>>>(matmul_leakyrelu_custom<<<numBlocks, 0, stream>>>(...))启动核函数,运行期参数依次为:Device 侧矩阵 A 地址、矩阵 B 地址、Bias 地址、矩阵 C 地址、workspace 地址、Host 侧生成的 tiling 数据。numBlocks = 1 表示启动 1 个 AI Core 组合,对应 2 个 AIV 侧逻辑任务,与 SetDim(2) 配置的 2 个 AIV 逻辑核精确匹配。

2.7 MIX 场景下的 SetDim 与启动核数配置

在 MIX 场景(同时包含矩阵计算与向量计算)的分离模式下(本示例支持的产品基本架构均为分离模式),Matmul API 从 AIV 侧发起:AIV 执行 Iterate 时通知 AIC 执行矩阵计算,AIC 完成后通知 AIV 取结果并继续 Vector 侧融合计算。因此:

  • tiling 侧从 AIV 视角切分任务:SetDim(2) 生成面向 2 个 AIV 逻辑核的 Matmul 分核参数;
  • __mix__(1, 2) 表示每个 AI Core 组合包含 1 个 AIC 与 2 个 AIV;
  • 本示例为 Kernel 直调(direct call)场景,Host 侧 numBlocks = 1 启动 1 个 AI Core 组合,对应 2 个 AIV 逻辑任务,正好匹配 SetDim(2)。

三、进阶路线二:静态 Tensor 编程模式实现(basic_api)

3.1 样例规格与核心分布逻辑

该示例固定 M = 512, K = 128, N = 128,调用 2 个 Cube 核 + 4 个 Vector 核完成计算:

项 名称 Shape 数据类型 格式
算子类型(OpType) Matmul+LeakyRelu Fusion - - -
输入 A(左矩阵) [512, 128] half ND
输入 B(右矩阵) [128, 128] half ND
输出 C [512, 128] half ND
核函数名 mmad_vec_custom - - -

核心分布逻辑:输出矩阵 C 沿 M 方向(第一维,行方向)划分为 2 块,N 方向(第二维,列方向)不划分:

         K                N
     ┌─────────┐      ┌──────────┐
     │         │      │          │
   M │    A    │  × K │    B     │  =  C (M × N)
     │         │      │          │
     └─────────┘      └──────────┘
  • M 方向分块数:M / singleCoreM = 512 / 256 = 2
  • N 方向分块数:N / singleCoreN = 128 / 128 = 1
  • Cube 核总数:2 × 1 = 2
  • Vector 核总数:2 × 2 = 4(每个 Cube 核对应 2 个 Vector 核)

每个 Cube 核产生一个 baseM × baseN = 256 × 128 结果块,交由 2 个 Vector 核各自处理 baseM/2 × baseN = 128 × 128 的数据。

3.2 昇腾 AI Core 内存层级与数据通路

理解 basic_api 示例必须先建立昇腾 AI Core 的内存层级与数据通路认知(该示例文档对此有系统说明):

  • GM(Global Memory):芯片外部 DDR,存放输入/输出数据,容量最大但访问延迟最高。
  • L1:片上缓存(主要存放 Cube 侧的 A/B 矩阵数据),由 MTE2 引擎从 GM 搬入。
  • L0A/L0B:Cube 矩阵计算单元的输入缓存,由 MTE1 引擎从 L1 搬入。
  • L0C:Cube 矩阵计算单元的输出缓存,存放 Mmad 计算结果。
  • UB(Unified Buffer,对应 TPosition::VECCALC):Vector 侧的片上缓存,存放 Vector 计算所需的输入/输出数据。

数据在搬运过程中需要格式转换(ND→Nz/Zn),因为 Cube 计算单元要求 Fractal(分形)布局而非 ND 布局。

同步机制:

  • 核内同步:SetFlag/WaitFlag 用于同一核内不同流水引擎(MTE2、MTE1、M、V、FIX、MTE3)之间的依赖同步,例如 MTE2 搬移完成后通知 MTE1 才能开始搬运。
  • 核间同步:CrossCoreSetFlag/CrossCoreWaitFlag 用于不同核之间的依赖同步,例如 Cube 核计算完成后通知 Vector 核才能开始读取数据。

3.3 Cube 侧数据流与实现代码

Cube 侧数据流(数据以 A 矩阵为例,B 类似):

GM(A:ND,half) -> L1(A:Nz,half) -> L0A(A:Nz,half) -
            │                  │                 │
          DataCopy            LoadData            │
          ND->Nz              Nz->Zz/Nz           │
                                                  │--->L0C(Nz,float) -> GM(C:ND,half)
                                                  │  │                  │
                                                  │ Mmad             Fixpipe
                                                  │ C=A×B       Nz->ND, float32->half
                                                  │
GM(B:ND,half) -> L1(B:Nz,half) -> L0B(B:Zn,half) -
            │                  │
          DataCopy            LoadData
          ND->Nz              Nz->Zn(transpose)

注意:L0A 的 Fractal 格式在不同产品上有差异——Ascend 950PR&950DT 产品的 L0A Fractal 格式为 Nz,Atlas A2/A3 系列产品为 Zz。这直接影响 LoadData 的参数写法,代码中用 __NPU_ARCH__ == 2201(对应 A2/A3)与 __NPU_ARCH__ == 3510(对应 950PR)分支处理。

核函数与类骨架(摘自 matmul_leakyrelu_basic_api.asc):

class KernelMatmul {
public:
    __aicore__ inline void Init(__gm__ uint8_t* xMatrix, __gm__ uint8_t* yMatrix, __gm__ uint8_t* zMatrix)
    {
        // 设置 GlobalTensor 起始地址,指向 GM 中对应输入/输出矩阵
        aGM.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)xMatrix);
        bGM.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)yMatrix);
        cGM.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)zMatrix);

        // Cube 核沿 M 方向分核,每个 Cube 核负责 singleCoreM * N 输出块
        if ASCEND_IS_AIC {
            aGM = aGM[AscendC::GetBlockIdx() * singleCoreM * K];  // 偏移到当前核负责的 A 矩阵行
            cGM = cGM[AscendC::GetBlockIdx() * singleCoreM * N];  // 偏移到当前核负责的 C 矩阵行
        }
        // Vector 核数是 Cube 核数的 2 倍,1 个 Cube 核的结果由 2 个 Vector 核处理
        // GetBlockIdx() / 2 将 Vector 核索引映射回对应 Cube 核输出块起始地址
        if ASCEND_IS_AIV {
            cGM = cGM[AscendC::GetBlockIdx() / 2 * singleCoreM * N];
        }
    }
    // ...
};

Cube 侧完整计算流程(Process() 中 if ASCEND_IS_AIC 分支):

  1. LocalTensor 创建:使用 LocalMemAllocator(片上内存分配器,按申请顺序自动分配,避免手动维护地址偏移)为各片上缓存创建 LocalTensor。L1 中 A/B 矩阵临时空间由同一个 L1 分配器按申请顺序分配。
  2. GM → L1:调用 DataCopy(GM 到 L1,ND→Nz),搬运同时完成 ND→Nz 格式转换:
AscendC::DataCopy(a1Local, aGM, AscendC::Nd2NzParams{1, baseM, baseK, 0, K, baseM, 1, 0});
AscendC::DataCopy(b1Local, bGM, AscendC::Nd2NzParams{1, baseK, baseN, 0, N, baseK, 1, 0});
// 核内同步:MTE2 搬运完成后通知 MTE1 可开始搬运
AscendC::SetFlag<AscendC::HardEvent::MTE2_MTE1>(EVENT_ID0);
AscendC::WaitFlag<AscendC::HardEvent::MTE2_MTE1>(EVENT_ID0);
  1. L1 → L0A/L0B:调用 LoadData(2D),B 矩阵需要转置(Nz→Zn)。A2/A3(2201)架构 L0A 为 Zz 布局,需逐块搬运;950PR(3510)架构 L0A 为 Nz 布局,可一次性完成:
#if defined(__NPU_ARCH__) && (__NPU_ARCH__ == 2201)
    for (int i = 0; i < baseM / CUBE_BLOCK; ++i) {
        AscendC::LoadData(a2Local[i * baseK * CUBE_BLOCK], a1Local[i * 512 / sizeof(half)],
            AscendC::LoadData2DParams{0, baseK / CUBE_BLOCK, baseM / CUBE_BLOCK, 0, 0, false, 0});
    }
    for (int i = 0; i < baseK / CUBE_BLOCK; ++i) {
        AscendC::LoadData(b2Local[i * baseN * CUBE_BLOCK], b1Local[i * 512 / sizeof(half)],
            AscendC::LoadData2DParams{0, baseN / CUBE_BLOCK, baseK / CUBE_BLOCK, 0, 0, true, 0});
    }
#elif defined(__NPU_ARCH__) && (__NPU_ARCH__ == 3510)
    AscendC::LoadData(a2Local, a1Local,
        AscendC::LoadData2DParamsV2{0, 0, baseM / CUBE_BLOCK, baseK / CUBE_BLOCK,
            baseM / CUBE_BLOCK, baseM / CUBE_BLOCK, false, 0});
    AscendC::LoadData(b2Local, b1Local,
        AscendC::LoadData2DParamsV2{0, 0, baseK / CUBE_BLOCK, baseN / CUBE_BLOCK,
            baseK / CUBE_BLOCK, baseN / CUBE_BLOCK, true, 0});
#endif
AscendC::SetFlag<AscendC::HardEvent::MTE1_M>(EVENT_ID0);
AscendC::WaitFlag<AscendC::HardEvent::MTE1_M>(EVENT_ID0);
  1. L0A/L0B → L0C:调用 Mmad(矩阵乘加指令),沿 K 方向累加所有数据块:
AscendC::Mmad(cLocal, a2Local, b2Local,
    AscendC::MmadParams{baseM, baseN, baseK, 0, false, true});
// 注意:cmatrixInitVal=true 表示首次计算时把 L0C 累加器清零
  1. L0C → GM:调用 Fixpipe(L0C 到 GM),搬运同时完成 Nz→ND 格式转换与 float32→half 精度转换:
AscendC::SetFlag<AscendC::HardEvent::M_FIX>(EVENT_ID0);
AscendC::WaitFlag<AscendC::HardEvent::M_FIX>(EVENT_ID0);
AscendC::Fixpipe(cGM, cLocal,
    AscendC::FixpipeParamsV220{baseN, baseM, baseM, N, false, QuantMode_t::F322F16, 0, 1, 0, 0, 0});
  1. 核间同步:AscendC::CrossCoreSetFlag<0x2, PIPE_FIX>(0) 通知 Vector 核数据已就绪。

3.4 Vector 侧数据流与实现代码

Vector 侧数据流(1 个 Cube 核的结果由 2 个 Vector 核处理):

Cube core:  Fixpipe -> GM(C:ND,half)
                    │
                    │ CrossCoreSetFlag / CrossCoreWaitFlag
                    ▼
Vector core: GM(C:ND,half) -> UB(VECCALC,half) -> UB(VECCALC,half) -> GM(C:ND,half)
                      │                   │                   │
                  DataCopyPad          LeakyRelu          DataCopyPad
            MTE2 transfer(baseM/2×baseN)  VEC compute       MTE3 write out

Process() 中 if ASCEND_IS_AIV 分支与私有方法 LeakyReluCompute 完成 Vector 侧工作:

  1. 核间同步:AscendC::CrossCoreWaitFlag<0x2>(0) 阻塞等待 Cube 核完成 Fixpipe 写回,确保读到完整的 Matmul 结果。
  2. UB 分配:用 UB 分配器在 VECCALC 位置创建 LocalTensor,每个 Vector 核处理 baseM / 2 * baseN 个元素。
  3. GM → UB:调用 DataCopyPad(GM 到 UB) 搬运半块结果。gmOffset = GetBlockIdx() % 2 * (baseM / 2 * N) 用 GetBlockIdx() % 2 区分同一逻辑核内 2 个 AIV 各自处理的半块区域:
uint32_t blockLen = baseN * sizeof(half);
uint32_t srcStride = (N - baseN) * sizeof(half);  // GM 中相邻行之间的跳变步长
AscendC::DataCopyPad<half>(
    vecLocal, cGM[gmOffset],
    AscendC::DataCopyExtParams{static_cast<uint16_t>(baseM / 2), blockLen, srcStride, 0, 0},
    AscendC::DataCopyPadExtParams<half>{true, 0, 0, 0});
AscendC::SetFlag<AscendC::HardEvent::MTE2_V>(EVENT_ID0);
AscendC::WaitFlag<AscendC::HardEvent::MTE2_V>(EVENT_ID0);
  1. UB 计算:调用 LeakyRelu 执行激活,负值乘 0.001:
AscendC::LeakyRelu(vecLocal, vecLocal, (half)0.001, baseM / 2 * baseN);
AscendC::SetFlag<AscendC::HardEvent::V_MTE3>(EVENT_ID0);
AscendC::WaitFlag<AscendC::HardEvent::V_MTE3>(EVENT_ID0);
  1. UB → GM:调用 DataCopyPad(UB 到 GM) 写回激活结果,完成融合计算。

3.5 核函数声明与调用

核函数使用 __mix__(1, 2) 实现 Cube 与 Vector 核的协同调用,参数 (1, 2) 表示每个逻辑核由 1 个 AIC(Cube 核)+ 2 个 AIV(Vector 核) 组成,Cube:Vector 核数比为 1:2:

// __global__:核函数声明修饰符
// __mix__(1,2):混合核函数,1 个 AIC(Cube) + 2 个 AIV(Vector) 组成一个逻辑核
__global__ __mix__(1, 2) void mmad_vec_custom(__gm__ uint8_t* xMatrix, __gm__ uint8_t* yMatrix, __gm__ uint8_t* zMatrix)
{
    AscendC::InitSocState();  // 初始化硬件状态
    KernelMatmul<M, K, N, singleCoreM, singleCoreK, singleCoreN,
                 baseM, baseK, baseN> op;
    op.Init(xMatrix, yMatrix, zMatrix);   // GlobalTensor 初始化与分核偏移
    op.Process();        // AIC 侧执行 Matmul,AIV 侧执行 LeakyRelu
    AscendC::PipeBarrier<PIPE_ALL>();  // 等待所有流水阶段完成
}

Host 侧启动时 numBlocks = (M / singleCoreM) * (N / singleCoreN) = 2,模板实参依次为 M, K, N, singleCoreM, singleCoreK, singleCoreN, baseM, baseK, baseN(见 matmul_leakyrelu_basic_api.asc)。

3.6 约束条件

静态 Tensor 融合实现必须满足以下约束(源自示例文档与源码结构):

  1. baseM/baseK/baseN 满足 16 对齐;
  2. M/N 能被 singleCoreM/singleCoreN 整除;
  3. singleCoreM/singleCoreN 能被 baseM/baseN 整除,K 能被 baseK 整除,不支持非整除场景;
  4. Vector 核数为 Cube 核数的 2 倍(与 __mix__(1, 2) 的 1:2 配置匹配)。

四、核心接口参数详解

两个示例都以 {} 花括号方式传参。以下结构体字段说明与源码参数一一对应,字段顺序与 API 文档一致。

4.1 Nd2NzParams(DataCopy:GM→L1 格式转换)

用于 DataCopy 接口描述 ND→Nz 格式转换参数(详见 DataCopy_GMToL1_ND2NZ):

struct Nd2NzParams {
    int32_t  ndNum;              // 需要搬运的 ND 矩阵数量,[0, 4095]
    uint16_t nValue;             // ND 矩阵行数,[0, 16384]
    int32_t  dValue;             // ND 矩阵列数,[0, 65535]
    int32_t  srcNdMatrixStride;  // 相邻 ND 矩阵起始地址之间的偏移,单位:元素,[0, 65535]
    int32_t  srcDValue;          // 同一 ND 矩阵相邻行之间的偏移,单位:元素,[1, 65535]
    uint16_t dstNzC0Stride;      // 目的 Nz 中同一源行转换出的多行相邻偏移,单位:C0_SIZE(32B),[1, 16384]
    uint16_t dstNzNStride;       // 目的 Nz 中 Z 形矩阵相邻行偏移,单位:C0_SIZE(32B),[1, 16384]
    int32_t  dstNzMatrixStride;  // 目的 Nz 中相邻 Nz 矩阵起始地址偏移,单位:元素,[1, 65535]
};

例如 {1, baseM, baseK, 0, K, baseM, 1, 0} 将 baseM×baseK 的 ND 数据转换为 Nz 格式。

4.2 LoadData2DParams(LoadData:L1→L0A/L0B,A2/A3)

用于 Atlas A2 产品与 Atlas A3 产品(详见 LoadData_2D):

struct LoadData2DParams {
    int32_t startIndex;   // 分形矩阵 ID(0 为第一个),单位:512B,[0, 65535]
    int32_t repeatTimes;  // 迭代次数,每次迭代处理 512B,[1, 255]
    int32_t srcStride;    // 相邻迭代源分形起始地址间隔,单位:512B,[0, 65535]
    int32_t sid;          // 预留,填 0
    int32_t dstGap;       // 相邻迭代目的分形间隔,单位:512B,[0, 65535]
    bool    ifTranspose;  // 是否对每个分形转置,默认 false
    bool    addrMode;     // 地址更新模式,false=递增,true=递减,默认 false
};

A2/A3 产品 L0A 布局为 Zz:搬运 A 矩阵使用 {0, baseK / CUBE_BLOCK, baseM / CUBE_BLOCK, 0, 0, false, 0};搬运 B 矩阵需置 ifTranspose=true 完成 Nz→Zn 转置搬运。

4.3 LoadData2DParamsV2(LoadData:L1→L0A/L0B,Ascend 950PR&950DT)

用于 Ascend 950PR&950DT 产品(详见 LoadData_2D_V2):

struct LoadData2DParamsV2 {
    uint32_t mStartPosition;  // M 方向起始位置,单位:512B
    uint32_t kStartPosition;  // K 方向起始位置,单位:512B
    uint16_t mStep;           // M 方向搬运分形数
    uint16_t kStep;           // K 方向搬运分形数
    int32_t  srcStride;       // 源端相邻 K 方向分形间隔,单位:512B
    uint16_t dstStride;       // 目的端相邻 K 方向分形间隔,单位:512B
    bool     ifTranspose;     // 是否对每个分形转置,默认 false
    uint8_t  sid;             // 预留,填 0
};

950PR&950DT 产品 L0A 布局为 Nz:A 矩阵使用 {0, 0, baseM / CUBE_BLOCK, baseK / CUBE_BLOCK, baseM / CUBE_BLOCK, baseM / CUBE_BLOCK, false, 0} 一步完成 Nz→Nz 搬运;B 矩阵使用 {0, 0, baseK / CUBE_BLOCK, baseN / CUBE_BLOCK, baseK / CUBE_BLOCK, baseN / CUBE_BLOCK, true, 0} 一步完成 Nz→Zn 转置搬运。

4.4 MmadParams(Mmad:矩阵乘加)

用于 Mmad 接口描述矩阵乘法参数(详见 Mmad):

struct MmadParams {
    uint16_t m;               // 左矩阵高度(M 维),[0, 4095]
    uint16_t n;               // 右矩阵宽度(N 维),[0, 4095]
    uint16_t k;               // 左矩阵宽度/右矩阵高度(K 维),[0, 4095]
    uint16_t unitFlag;        // Mmad 与 Fixpipe 的细粒度并行控制,默认 0
    bool     cmatrixSource;   // C 矩阵初始值来源,false=CO1,true=C2,默认 false
    bool     cmatrixInitVal;  // C 矩阵初始值是否为 0,默认 true
};

例如 {baseM, baseN, baseK, 0, false, true} 计算 baseM×baseN 输出块,并沿 K 方向按 baseK 长度累加。

4.5 FixpipeParamsV220(Fixpipe:L0C→GM)

用于 Fixpipe 接口描述 L0C 到 GM 的搬运与精度转换参数(详见 Fixpipe_L0CToGM):

struct FixpipeParamsV220 {
    int32_t     nSize;        // 源 Nz 矩阵 N 维大小,[1, 4095]
    uint16_t    mSize;        // 源 Nz 矩阵 M 维大小(Nz2ND 时 [1, 8192])
    uint16_t    srcStride;    // 源 Nz 中相邻 Z 布局起始偏移,单位:C0_SIZE,[0, 65535]
    int32_t     dstStride;    // Nz2ND 时目的 ND 矩阵每行元素个数,单位:元素
    bool        reluEn;       // 是否使能 ReLU
    QuantMode_t quantPre;     // 量化模式,F322F16 表示 float 转 half
    uint64_t    deqScalar;    // 标量量化参数,单一缩放值
    int32_t     ndNum;        // 源 Nz 矩阵数量,[1, 65535]
    int32_t     srcNdStride;  // 不同 Nz 矩阵起始地址间隔,单位:16×C0_SIZE,[1, 512]
    int32_t     dstNdStride;  // 相邻目的 ND 矩阵之间的偏移,单位:元素,[1, 65535]
    int32_t     unitFlag;     // Mmad 与 Fixpipe 的并行控制
};

例如 {baseN, baseM, baseM, N, false, F322F16, 0, 1, 0, 0, 0} 将 L0C 中 baseM×baseN 的 float32 结果转换为 half 并写回 GM。

4.6 DataCopyParams(DataCopy:UB→GM 搬出)

用于 DataCopy 接口描述 Local Memory 到 Global Memory 的搬运参数(advanced_api 搬出矩阵 C 分块时使用):

struct DataCopyParams {
    uint16_t blockCount;  // 连续搬运的数据块数量,[1, 4095]
    uint16_t blockLen;    // 每个连续数据块的长度,单位:DataBlock(32B),[1, 65535]
    uint16_t srcGap;      // 源操作数相邻连续数据块之间的间隔,单位:DataBlock(32B)
    uint16_t dstGap;      // 目的操作数相邻连续数据块之间的间隔,单位:DataBlock(32B)
};

advanced_api 搬出矩阵 C 时使用 {tiling.baseM, tiling.baseN * sizeof(float) / AscendC::DEFAULT_C0_SIZE, 0, (tiling.N - tiling.baseN) * sizeof(float) / AscendC::DEFAULT_C0_SIZE}:blockCount 表示搬出 baseM 行,blockLen 表示每行对应 baseN 个矩阵 C 元素的数据量,dstGap 表示目的端相邻行之间的间隔(单位 DataBlock),用于把 baseM * baseN 块写回完整 M * N 矩阵的对应列区间。

4.7 DataCopyExtParams 与 DataCopyPadExtParams(DataCopyPad:GM↔UB)

用于 DataCopyPad 接口描述 GM 与 UB 之间的块搬运参数(详见 DataCopyPad_GMToUB):

struct DataCopyExtParams {
    uint16_t blockCount;  // 连续搬运的数据块数量
    uint32_t blockLen;    // 每个数据块的长度,单位:Byte
    uint32_t srcStride;   // 源端相邻数据块之间的间隔,单位:Byte
    uint32_t dstStride;   // 目的端相邻数据块之间的间隔,单位:Byte
    uint32_t rsv;         // 预留字段,填 0
};

template <typename T>
struct DataCopyPadExtParams {
    bool isPad;       // 是否使能 padding
    uint8_t leftPad;  // 左侧 padding 长度
    uint8_t rightPad; // 右侧 padding 长度
    T paddingValue;   // padding 填充值
};

例如 GM→UB 时 {static_cast<uint16_t>(baseM / 2), blockLen, srcStride, 0, 0} 表示每个 Vector 核读取 baseM/2 行结果;{true, 0, 0, 0} 表示使能 padding 能力但左右均不额外填充。

五、编译运行与验证

5.1 配置环境变量

按照 CANN 开发套件安装方式 配置当前环境:

source ${install_path}/cann/set_env.sh

注意:${install_path} 为 CANN 包安装目录,未指定安装目录时默认 /usr/local/Ascend。

5.2 构建与执行

在两个示例根目录下执行(以 basic_api 为例):

mkdir -p build && cd build;                                               # 创建并进入 build 目录
cmake -DCMAKE_ASC_ARCHITECTURES=dav-2201 ..;make -j;                      # 编译工程(默认 npu 模式)
python3 ../scripts/gen_data.py                                            # 生成测试输入数据
./demo                                                                    # 执行编译产物运行样例
python3 ../scripts/verify_result.py output/output.bin output/golden.bin   # 校验输出正确性

gen_data.py 会生成 input/x1_gm.bin(矩阵 A)、input/x2_gm.bin(矩阵 B),advanced_api 还会生成 input/bias.bin,并分别按对应精度在 output/golden.bin 中写入 golden 参考值(advanced 版本 golden 为 float32 且包含 Bias 加法,basic 版本为 float16)。verify_result.py 使用 np.isclose 逐元素比对,输出错误比例并在比例不超过 ERROR_TOL = 1e-4 时打印 test pass!。

CPU 调试或 NPU 仿真模式需追加 -DCMAKE_ASC_RUN_MODE 参数:

cmake -DCMAKE_ASC_RUN_MODE=cpu -DCMAKE_ASC_ARCHITECTURES=dav-2201 ..;make -j; # CPU 调试模式
cmake -DCMAKE_ASC_RUN_MODE=sim -DCMAKE_ASC_ARCHITECTURES=dav-2201 ..;make -j; # NPU 仿真模式

注意:切换编译模式前需清理 cmake 缓存,在 build 目录执行 rm CMakeCache.txt 后重新运行 cmake。

5.3 编译选项说明

选项 可选值 说明
CMAKE_ASC_RUN_MODE npu(默认)、cpu、sim 运行模式:NPU 运行、CPU 调试、NPU 仿真
CMAKE_ASC_ARCHITECTURES dav-2201(默认)、dav-3510 NPU 架构:dav-2201 对应 Atlas A2 产品与 Atlas A3 产品,dav-3510 对应 Ascend 950PR&950DT 产品

注意:advanced_api 的 CMakeLists.txt 中,当 CMAKE_ASC_ARCHITECTURES=dav-3510 时构建工程会自动为 ASC 编译追加 -DENABLE_CV_COMM_VIA_SSBUF=true 宏以启用 SSBUF 通信,dav-2201 场景不会追加该编译宏。

5.4 执行结果

精度比对通过时输出:

test pass!

六、实现流程逐阶段分析(basic_api)

以下两张表按时间顺序拆解 Cube 核与 Vector 核的每一步操作及其目的。

6.1 Cube 核流程

阶段 数据流/行为 实现目的/原因
初始化 使用 LocalMemAllocator 为 L1、L0A/L0B、L0C 等片上缓存分配 LocalTensor 按申请顺序自动分配片上内存,避免手动维护地址偏移
GM → L1 DataCopy 将 A/B 矩阵从 GM 搬运到 L1,同时完成 ND→Nz 格式转换 Cube 计算单元要求 Nz 分形布局,搬运时转换可避免额外转换开销
L1 → L0A/L0B LoadData 将 A 矩阵从 L1 搬运到 L0A(Nz→Zz/Nz),B 矩阵从 L1 搬运到 L0B(Nz→Zn 转置) Mmad 指令要求 B 矩阵以 Zn(转置 Nz)格式输入,因此 B 需要转置
L0A/L0B → L0C Mmad 执行矩阵乘加,沿 K 方向累加所有数据块 完成 A×B 矩阵乘法计算,K 向分块累加保证正确性
核内同步 SetFlag/WaitFlag 确保数据搬运完成后再启动下一步操作 避免 LoadData 读取未搬运完成的数据,避免 Mmad 读取未装载完成的数据
L0C → GM Fixpipe 将 L0C 结果搬出到 GM,同时完成 Nz→ND 格式转换与 fp32→fp16 精度转换 输出结果需回到 GM 供 Vector 核读取;格式需转为 ND,精度需由 fp32 降为 fp16 匹配输出要求
核间同步 CrossCoreSetFlag 通知 Vector 核数据就绪 确保 Vector 核在 Fixpipe 完成前不会开始读取 GM 数据

6.2 Vector 核流程

阶段 数据流/行为 实现目的/原因
核间同步 CrossCoreWaitFlag 等待 Cube 核 Fixpipe 完成 阻塞至 Cube 核通知数据就绪,保证读到完整 Matmul 结果
初始化 使用 UB 分配器在 VECCALC 位置分配 LocalTensor 为 GM→UB 搬运与 Vector 计算分配 UB 缓冲
GM → UB DataCopyPad 将 Matmul 结果从 GM 搬运到 UB,每个 Vector 核读取 baseM/2 行、每行 baseN 个元素 Vector 核从 GM 读取 Cube 核写回的 Matmul 结果,各处理半块数据
UB 计算 LeakyRelu 执行激活计算,负值乘以 0.001 对 Matmul 结果施加 LeakyRelu 激活函数,完成融合计算
UB → GM DataCopyPad 将 LeakyRelu 结果写回 GM 输出最终计算结果到 GM 供后续使用

七、优化方向分析

两个示例文档结合源码指出了当前实现可优化的方向,可直接指导读者在真实算子工程中做性能迭代:

优化方向 当前实现的问题 预期优化收益
L1/L0 双缓冲流水 Cube 核串行执行 GM→L1→L0A/L0B→L0C→GM,搬运与计算无法重叠 Ping-Pong 双缓冲使 MTE2 搬运与 MTE1/Mmad 计算并行,显著提升吞吐
Fixpipe 与 Mmad 细粒度并行 当前 Mmad 与 Fixpipe 块级串行,Mmad 计算期间 Fixpipe 空闲,Fixpipe 搬出期间 Mmad 空闲 拆成更细粒度块,Mmad 与 Fixpipe 交替执行,减少流水气泡
UB 双缓冲 Vector 核串行执行 GM→UB→计算→GM UB Ping-Pong 双缓冲使 MTE2 搬运与 VEC 计算并行
Vector 核 VF 融合 当前使用 MemBase API,中间结果需写回 UB 使用 RegBase + asc_vf_call 做 VF 融合,中间计算在寄存器内完成,减少 UB 读写次数
大块搬运 当前仅搬运单块 baseM×baseN 数据 增大 singleCoreM/singleCoreN,减少搬运次数,提升带宽利用率
GM 搬运优化 Cube 核结果需经 GM 中转给 Vector 核(L0C→GM→UB),两次搬运开销高 Ascend 950PR 支持 Fixpipe 直写 UB(L0C→UB),省去 GM 中转开销

八、功能调试与性能分析

8.1 printf 调试

printf 接口提供 CPU 域/NPU 域调试场景下的格式化输出能力。在算子 Kernel 侧实现中需要输出日志信息的位置调用:

AscendC::printf("matmul blockIdx=%d\n", AscendC::GetBlockIdx());

注意:printf 打印功能会对算子实际性能产生一定影响,通常用于调试阶段;开发者可按需设置 ASCENDC_DUMP=0 关闭打印功能。

8.2 DumpTensor 调试

对于基于算子工程开发的算子,可用 DumpTensor 接口 Dump 指定 LocalTensor 的内容,也支持打印自定义附加信息(仅支持 uint32_t 类型信息),例如打印当前行号。在 Kernel 侧需要打印 Tensor 数据的位置调用:

// Vector 核 LeakyRelu 结果
AscendC::LeakyRelu(zLocal, xLocal, ..., len);
AscendC::DumpTensor(zLocal, 1, 16);

注意:DumpTensor 打印功能同样影响算子实际性能,通常用于调试阶段,可按需设置 ASCENDC_DUMP=0 关闭。

8.3 msOpProf 单算子性能分析

msOpProf 是单算子性能分析工具,提供 msopprof 与 msopprof simulator 两种使用模式,帮助用户定位算子内存、代码、指令层面的异常,支持设备运行与仿真等不同运行模式、可执行文件与算子二进制 .o 文件等文件类型的性能数据采集与自动解析。

设备侧性能采集:直接在昇腾 AI 处理器上测量算子执行时间,适用于快速定位设备环境下的算子性能问题。对 demo 可执行文件执行:

msopprof ./demo

命令完成后默认目录会生成 OPPROF_{timestamp}_XXX 文件夹,性能数据目录结构如下:

├── dump                       # 原始性能数据,用户无需查看
├── ArithmeticUtilization.csv  # Cube/Vector 指令周期占比
├── L2Cache.csv                # L2 Cache 命中率;影响 MTE2,合理规划搬运逻辑提升命中率
├── Memory.csv                 # UB、L1、主存读写带宽率
├── MemoryL0.csv               # L0A、L0B、L0C 读写带宽率
├── MemoryUB.csv               # Vector 与 Scalar 到 UB 的读写带宽率
├── OpBasicInfo.csv            # 算子基本信息
├── PipeUtilization.csv        # 计算与搬运单元的耗时与占比
├── ResourceConflictRatio.csv  # 全部指令中 UB bank 组、bank 冲突、资源冲突占比
└── visualize_data.bin         # MindStudio Insight 展示文件

查看详细性能分析结果:

# 查看 Task Duration 等指标
cat ./OPPROF_*/PipeUtilization.csv

九、两种实现路线对比与选型建议

对比维度 Matmul 高阶 API(advanced_api) 静态 Tensor 编程(basic_api)
编程抽象 数据搬运、Cube 调度、基础流水同步由 matmul::Matmul 封装 手工编排 GM→L1→L0A/L0B→L0C→GM 全链路与全部流水同步
开发工作量 低,聚焦 tiling 配置、Tensor 绑定与 Vector 侧融合 高,需显式处理格式转换、架构差异(Zz/Nz)、核间同步
灵活性 受高阶 API 能力边界约束 可精细控制每一级缓存的搬运与调度
跨架构适配 tiling 侧统一配置,适配成本低 需按 __NPU_ARCH__ 分支处理 LoadData 参数(2201/3510)
典型定位 快速实现融合算子、业务迭代期 极致性能调优、深入理解硬件流水时

选型建议:业务功能验证与快速交付优先选择 Matmul 高阶 API;当性能瓶颈集中在数据搬运与流水重叠时,可参照 basic_api 的手动编排方式做精细化控制,并结合第七节的优化方向(双缓冲、Fixpipe 直写 UB、VF 融合等)逐项迭代。

十、仓库证据索引

以下为本篇文章引用到的仓库核心文件,便于读者继续深入:

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asc-devkit