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第8篇:Tiling机制与内存管理深度解析

Tiling机制是CANN算子优化的核心技术,通过智能的数据分块策略,最大化利用昇腾AI Core的计算能力。本文将深入解析Tiling框架的设计原理、动态Tiling算法、内存层次优化策略,以及与算子的集成方式,揭示CANN如何通过精细的Tiling机制实现算子性能的极致优化。

Tiling(分块计算)机制的核心思想是将大规模数据计算分解为适合硬件处理的小块,通过优化数据局部性和并行度,最大化计算效率:

  • 数据局部性优化:提高缓存命中率
  • 并行度最大化:充分利用多核资源
  • 内存带宽优化:减少数据传输开销
  • 硬件适配性:深度适配昇腾架构

TilingBaseClass作为所有Tiling实现的统一基类,定义了标准的执行框架:

class TilingBaseClass {
public:
explicit TilingBaseClass(gert::TilingContext* context);
virtual ~TilingBaseClass() = default;
// Tiling执行框架
ge::graphStatus DoTiling() {
// 1. 获取形状和属性信息
auto ret = GetShapeAttrsInfo();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 2. 获取平台信息
ret = GetPlatformInfo();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 3. 检查是否支持当前配置
if (!IsCapable()) return ge::GRAPH_PARAM_INVALID;
// 4. 执行操作特定的Tiling计算
ret = DoOpTiling();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 5. 执行库API Tiling计算
ret = DoLibApiTiling();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 6. 计算工作区大小
ret = GetWorkspaceSize();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 7. 后处理
ret = PostTiling();
if (ret != ge::GRAPH_SUCCESS) return ret;
// 8. 设置Tiling Key并输出信息
context_->SetTilingKey(GetTilingKey());
DumpTilingInfo();
return ge::GRAPH_SUCCESS;
}
protected:
// 虚函数,子类实现具体逻辑
virtual ge::graphStatus GetShapeAttrsInfo() = 0;
virtual ge::graphStatus GetPlatformInfo() = 0;
virtual bool IsCapable() = 0;
virtual ge::graphStatus DoOpTiling() = 0;
virtual ge::graphStatus DoLibApiTiling() = 0;
virtual ge::graphStatus GetWorkspaceSize() = 0;
virtual ge::graphStatus PostTiling() = 0;
virtual uint64_t GetTilingKey() = 0;
virtual void DumpTilingInfo() = 0;
gert::TilingContext* context_;
};

Tiling执行采用状态机设计,支持三种返回值:

stateDiagram-v2
[*] --> Start: 获取形状信息
Start --> 成功: 获取平台信息
成功 --> 支持检查: IsCapable()
支持检查 --> 支持: DoOpTiling()
支持 --> 成功: DoLibApiTiling()
成功 --> 成功: GetWorkspaceSize()
成功 --> 成功: PostTiling()
成功 --> [*]: 设置TilingKey
支持检查 --> 不支持: [*]: 继续下一个Tiling策略
失败 --> [*]: 终止
  • GRAPH_SUCCESS:成功完成
  • GRAPH_FAILED:失败,终止流程
  • GRAPH_PARAM_INVALID:不支持,尝试下一个策略

AiCoreParams封装了昇腾硬件的核心参数:

struct AiCoreParams {
uint64_t ubSize = 0; // 统一缓冲区大小
uint64_t blockDim = 0; // 块大小(硬件指令)
uint64_t aicNum = 0; // AI Core数量
uint64_t l1Size = 0; // L1缓存大小
uint64_t l0aSize = 0; // L0A缓冲区大小
uint64_t l0bSize = 0; // L0B缓冲区大小
uint64_t l0cSize = 0; // L0C缓冲区大小
};

CompileInfoCommon提供了不同Soc版本的编译时信息:

struct CompileInfoCommon {
uint32_t aivNum; // AI Vector核心数
uint32_t aicNum; // AI Core数
uint64_t ubSize; // UB大小
uint64_t l1Size; // L1大小
uint64_t l0aSize; // L0A大小
uint64_t l0bSize; // L0B大小
uint64_t l0cSize; // L0C大小
uint64_t l2CacheSize; // L2缓存大小
int64_t coreNum; // 总核心数
int32_t socVersion; // Soc版本
uint32_t rsvd; // 保留字段
};
// 平台信息映射表
static const std::map<int32_t, CompileInfoCommon> compileInfoMap = {
{SocVersion::ASCEND910_95, {48, 48, 196352, 256, 256, 256, 256, 4194304, 32, 91095, 0}},
{SocVersion::ASCEND910, {32, 32, 262144, 256, 256, 256, 256, 4194304, 32, 910, 0}},
{SocVersion::ASCEND310P, {8, 8, 262144, 256, 256, 256, 256, 2097152, 8, 310P, 0}}
};
// 动态获取平台信息
CompileInfoCommon GetCompileInfo() {
int32_t socVersion = GetCurrentSocVersion();
auto it = compileInfoMap.find(socVersion);
if (it != compileInfoMap.end()) {
return it->second;
}
// 返回默认值
return GetDefaultCompileInfo();
}

CANN采用注册机制管理多种Tiling策略:

// Tiling策略注册宏
#define REGISTER_TILING_TEMPLATE(op_type, class_name, priority) \
REGISTER_OP_IMPL(op_type, class_name, priority); \
REGISTER_TILING_TEMPLATE_WITH_SOCVERSION(op_type, class_name, {SocVersion::ASCEND910, SocVersion::ASCEND910B}, priority);
// 策略注册表
class TilingTemplatesRegistry {
private:
struct TilingInfo {
std::shared_ptr<TilingBaseClass> instance;
std::vector<int32_t> supportedVersions;
int32_t priority;
};
std::map<std::string, std::vector<TilingInfo>> registry_;
public:
void Register(const std::string& opType,
std::shared_ptr<TilingBaseClass> instance,
const std::vector<int32_t>& versions,
int32_t priority) {
registry_[opType].push_back({instance, versions, priority});
// 按优先级排序
std::sort(registry_[opType].begin(), registry_[opType].end(),
[](const TilingInfo& a, const TilingInfo& b) {
return a.priority < b.priority;
});
}
const std::vector<TilingInfo>& GetTilingStrategies(const std::string& opType) {
return registry_[opType];
}
};

动态选择算法按优先级顺序尝试不同策略:

// 动态Tiling选择算法
template <typename OpType>
class TilingStrategySelector {
public:
static std::shared_ptr<TilingBaseClass> Select(gert::TilingContext* context) {
const std::string opType = OpType::GetOpType();
auto& strategies = registry_.GetTilingStrategies(opType);
for (const auto& strategy : strategies) {
if (IsVersionSupported(strategy.supportedVersions)) {
// 创建实例并验证
auto instance = strategy.instance;
// 临时设置context
instance->SetContext(context);
// 检查是否支持当前配置
if (instance->DoTiling() == ge::GRAPH_SUCCESS) {
return instance;
}
}
}
return nullptr; // 没有合适的策略
}
};

静态Tiling在编译时确定所有参数,适合计算模式固定的算子。

示例:FatReLU Mul算子

class FatreluMulTiling {
private:
// 编译时定义的常量
constexpr int32_t MAX_ELEMENT_NUM_EACH_CORE = 10 * 1024;
constexpr int32_t ONE_BLOCK_SIZE = 32;
// 数据类型相关的Tiling Key
static constexpr uint64_t TILING_KEY_HALF = 1;
static constexpr uint64_t TILING_KEY_FLOAT = 2;
static constexpr uint64_t TILING_KEY_BFLOAT16 = 3;
public:
void GetTilingKey() {
// 根据数据类型选择Tiling策略
switch (dataType) {
case ge::DT_FLOAT16:
tilingKey = TILING_KEY_HALF;
oneBlockNum = ONE_BLOCK_SIZE / sizeof(float16_t);
break;
case ge::DT_FLOAT:
tilingKey = TILING_KEY_FLOAT;
oneBlockNum = ONE_BLOCK_SIZE / sizeof(float);
break;
case ge::DT_BF16:
tilingKey = TILING_KEY_BFLOAT16;
oneBlockNum = ONE_BLOCK_SIZE / sizeof(float16_t);
break;
}
}
// 核心数计算
uint32_t GetNeedCoreNum(const uint32_t coreNumPlatform) {
if (lastDimSize / SIZE_2 > MAX_ELEMENT_NUM_EACH_CORE) {
// 每个核心处理一个batch
needCoreNum = batchSize;
} else {
// 多个batch共享一个核心
int32_t d = lastDimSize / SIZE_2;
auto dAlign = (d + oneBlockNum - 1) / oneBlockNum * oneBlockNum;
int32_t n = MAX_ELEMENT_NUM_EACH_CORE / dAlign;
needCoreNum = CeilA2B(batchSize, n);
}
return std::min(needCoreNum, coreNumPlatform);
}
};

动态Tiling根据运行时输入形状动态计算最优策略。

示例:Dynamic RNN算子

class DynamicRnnTiling {
private:
struct DynamicParams {
int64_t timeStep;
int64_t batch;
int64_t inputSize;
int64_t hiddenSize;
bool isTraining;
};
public:
ge::graphStatus DoOpTiling() {
// 根据运行时参数动态计算
CalculateTilingParams();
// 动态计算块大小
CalculateBlockSize();
// 动态分配核心
CalculateCoreAllocation();
// 计算workspace大小
CalculateWorkspaceSize();
return ge::GRAPH_SUCCESS;
}
private:
void CalculateTilingParams() {
// 计算最优的timeStep分块
if (timeStep <= 32) {
timeStepTile = timeStep;
} else if (timeStep <= 64) {
timeStepTile = 32;
} else {
timeStepTile = 64;
}
// 计算最优的batch分块
batchSizeTile = std::min(batch, GetAicoreNum() / 4);
// 计算优化方向
preferStreamK = (timeStep * hiddenSize) > (batch * inputSize);
}
};

混合Tiling结合了静态和动态的特性,适用于复杂算子。

示例:Conv3D算子

class Conv3DHybridTiling {
public:
ge::graphStatus DoOpTiling() {
// 基础配置(静态)
ConfigureBaseParams();
// 根据形状动态调整
if (IsLargeInputShape()) {
return DoLargeShapeTiling();
} else if (IsSmallInputShape()) {
return DoSmallShapeTiling();
} else {
return DoMediumShapeTiling();
}
}
private:
bool IsLargeInputShape() {
// 根据数据量判断是否需要流式处理
int64_t totalElements = inputD * inputH * inputW * inputC;
return totalElements > LARGE_SHAPE_THRESHOLD;
}
ge::GraphStatus DoLargeShapeTiling() {
// 流式K轴分块策略
streamKTileSize = CalculateOptimalStreamKTile();
streamKBlockNum = (inputK + streamKTileSize - 1) / streamKTileSize;
// 分批处理
batchPartitionSize = CalculateBatchPartition();
return ge::GRAPH_SUCCESS;
}
};

昇腾处理器采用多级内存层次结构:

graph TB
H[L2 Cache<br/>4MB] --> GM[Global Memory<br/>32GB]
H[L1 Cache<br/>256KB] --> L2
H[L0A/L0B/L0C<br/>32KB] --> L1
H[UB Buffer<br/>1MB] --> L0A/L0B/L0C
style H fill:#e1f5fe
style GM fill:#f3e5f5
style L2 fill:#fff3e0
style L1 fill:#e8f5e9
style L0A fill:#fce4ec
style L0B fill:#fafafa
style L0C fill:#e0e0e0
style UB fill:#f8bbd0

UB(Unified Buffer)是最关键的本地内存,需要精细管理:

class UBManager {
private:
struct BufferInfo {
void* base; // 基地址
uint64_t totalSize; // 总大小
uint64_t allocated; // 已分配
std::vector<std::pair<uint64_t, uint64_t>> usedRanges; // 已使用范围
};
public:
template <typename T>
LocalTensor<T> Allocate(size_t elementCount) {
// 计算所需大小
size_t requiredSize = elementCount * sizeof(T);
// 32字节对齐
size_t alignedSize = AlignUp(requiredSize, 32);
// 查找合适的空间
auto range = FindFreeRange(alignedSize);
if (range.first != UINT64_MAX) {
// 找到可用空间
return LocalTensor<T>(range.first, elementCount);
}
// 空间不足,需要复用或报错
OP_CHECK(false, LocalTensor<T>(), "UB space insufficient");
return LocalTensor<T>();
}
void Deallocate(const void* ptr) {
// 从已使用范围中移除
DeallocateRange(ptr);
}
private:
std::pair<uint64_t, uint64_t> FindFreeRange(size_t size) {
// 实现LRU复用算法
return lruAllocator_.Allocate(size);
}
size_t AlignUp(size_t size, size_t alignment) {
return (size + alignment - 1) & ~(alignment - 1);
}
};

Workspace用于存储Tiling过程中需要的临时数据:

class WorkspaceManager {
public:
void CalculateWorkspaceSize() {
// 基础空间:存储intermediate results
size_t baseSize = CalculateBaseSize();
// 循环缓冲:实现ping-pong
size_t loopBufferSize = GetLoopBufferSize();
// 临时tensor:存储临时计算结果
size_t tempTensorSize = GetTempTensorSize();
totalWorkspaceSize = baseSize + loopBufferSize + tempTensorSize;
// 添加安全边界
totalWorkspaceSize = AlignUp(totalWorkspaceSize, 32);
}
private:
size_t CalculateBaseSize() {
// 根据Tiling策略计算基础空间需求
if (tilingMode == TilingMode::STREAM) {
return streamModeWorkspace;
} else if (tilingMode == TilingMode::PARALLEL) {
return parallelModeWorkspace;
} else {
return serialModeWorkspace;
}
}
};
class CoreParallelOptimizer {
public:
static uint32_t OptimizeCoreCount(const ParallelParams& params) {
uint32_t availableCores = GetAicoreNum();
uint32_t optimalCores = CalculateOptimalCores(params);
// 不超过可用核心数
return std::min(optimalCores, availableCores);
}
private:
static uint32_t CalculateOptimalCores(const ParallelParams& params) {
// 考虑数据依赖性
if (params.hasDependency) {
return 1; // 串行执行
}
// 考虑负载均衡
if (params.dataSize % availableCores == 0) {
return availableCores; // 完美负载
}
// 考虑通信开销
float communicationOverhead = EstimateCommunicationOverhead(params);
float computationCost = EstimateComputationCost(params);
if (communicationOverhead > computationCost * 0.2f) {
// 通信开销过高,减少并行度
return availableCores / 2;
}
return availableCores;
}
};
class LoadBalancer {
public:
struct LoadInfo {
int64_t assignedWork;
int64_t coreIndex;
};
static std::vector<LoadInfo> DistributeWork(
int64_t totalWork,
uint32_t coreNum) {
std::vector<LoadInfo> loadInfo(coreNum);
// 计算基本工作量
int64_t baseWork = totalWork / coreNum;
int64_t remainder = totalWork % coreNum;
// 分配工作量
for (uint32_t i = 0; i < coreNum; ++i) {
loadInfo[i].coreIndex = i;
loadInfo[i].assignedWork = baseWork;
if (i < remainder) {
loadInfo[i].assignedWork++;
}
}
// 考虑内存访问模式的调整
AdjustForMemoryLocality(loadInfo, totalWork);
return loadInfo;
}
private:
static void AdjustForMemoryLocality(
std::vector<LoadInfo>& loadInfo,
int64_t totalWork) {
// 根据内存访问模式调整
if (HasSequentialAccessPattern()) {
// 顺序访问模式:按物理核心顺序分配
// 减少缓存冲突
}
if (HasRandomAccessPattern()) {
// 随机访问模式:优化缓存亲和性
OptimizeCacheAffinity(loadInfo);
}
}
};
class CacheOptimizedScheduler {
public:
// 缓存行大小的常量
static constexpr size_t CACHE_LINE_SIZE = 256;
static constexpr size_t PREFETCH_DISTANCE = 2;
template <typename T>
void ScheduleLoad(const T* src, T* dst, size_t elementCount) {
size_t elementSize = sizeof(T);
// 按缓存行大小分块
size_t elementsPerLine = CACHE_LINE_SIZE / elementSize;
size_t blockSize = elementsPerLine * PREFETCH_DISTANCE;
for (size_t i = 0; i < elementCount; i += blockSize) {
size_t blockEnd = std::min(i + blockSize, elementCount);
// 预取下一块
if (i + blockSize < elementCount) {
Prefetch(src + blockEnd);
}
// 加载当前块
LoadBlock(src + i, dst + i, blockEnd - i);
}
}
private:
void Prefetch(const void* addr) {
// 使用硬件预取指令
__builtin_prefetch(addr);
}
};
class PipelineScheduler {
private:
enum PipelineStage {
LOAD_INPUT,
COMPUTE,
STORE_OUTPUT,
SYNC
};
public:
template <typename ComputeFunc>
void ExecutePipeline(const InputData& input, OutputData& output) {
// 三阶段流水线
PipelineStage currentStage = LOAD_INPUT;
while (HasMoreWork()) {
switch (currentStage) {
case LOAD_INPUT:
LoadInput(input);
currentStage = COMPUTE;
break;
case COMPUTE:
// 在加载数据时开始计算
if (CanStartCompute()) {
StartCompute(input);
currentStage = STORE_OUTPUT;
}
break;
case STORE_OUTPUT:
StoreOutput(output);
currentStage = SYNC;
break;
case SYNC:
// 同步所有核心
PipeBarrier<PIPE_V>();
currentStage = LOAD_INPUT;
break;
}
}
}
};
class MemoryReuseOptimizer {
private:
struct TensorInfo {
void* ptr;
size_t size;
int64_t lastUseCycle;
bool inUse;
};
std::unordered_map<int, TensorInfo> tensorPool_;
int64_t currentCycle_ = 0;
public:
template <typename T>
LocalTensor<T> GetOrAllocate(int tensorId, size_t size) {
auto it = tensorPool_.find(tensorId);
// 检查是否可以复用
if (it != tensorPool_.end() &&
CanReuse(it->second, size) &&
(currentCycle_ - it->second.lastUseCycle) > reuseGap_) {
// 复用tensor
it->second.inUse = true;
it->second.lastUseCycle = currentCycle_;
return LocalTensor<T>(it->second.ptr, size);
}
// 分配新的tensor
void* ptr = AllocateAlignedMemory(size);
tensorPool_[tensorId] = {ptr, size, currentCycle_, true};
return LocalTensor<T>(ptr, size);
}
void ReleaseTensor(int tensorId) {
auto it = tensorPool_.find(tensorId);
if (it != tensorPool_.end()) {
it->second.inUse = false;
}
}
private:
bool CanReuse(const TensorInfo& info, size_t requiredSize) {
return info.size >= requiredSize &&
!info.inUse;
}
static constexpr int reuseGap_ = 2; // 最小复用间隔
static constexpr size_t alignSize_ = 64; // 64字节对齐
};
class TilingInfoDumper {
public:
void DumpTilingInfo(const TilingData& data, const std::string& opName) {
std::ostringstream oss;
oss << "=== " << opName << " Tiling Info ===" << std::endl;
oss << "Tiling Key: " << data.tilingKey << std::endl;
oss << "Total Elements: " << data.totalElements << std::endl;
oss << "Core Num: " << data.coreNum << std::endl;
oss << "Block Size: " << data.blockSize << std::endl;
oss << "Workspace Size: " << data.workspaceSize << std::endl;
// 打印性能估计
oss << "Estimated FLOPS: " << EstimateFlops(data) << std::endl;
oss << "Memory Bandwidth: " << EstimateMemoryBandwidth(data) << " GB/s" << std::endl;
OP_LOGD(oss.str());
}
};
class TilingPerformanceAnalyzer {
public:
struct PerformanceMetrics {
double computeEfficiency;
double memoryEfficiency;
double parallelEfficiency;
uint64_t actualExecutionTime;
uint64_t theoreticalTime;
};
PerformanceMetrics Analyze(const TilingData& data,
const ExecutionProfile& profile) {
// 计算理论性能
theoreticalTime = CalculateTheoreticalTime(data);
// 分析实际性能
actualExecutionTime = profile.totalExecutionTime;
// 计算各项效率
computeEfficiency = theoreticalTime / actualExecutionTime;
memoryEfficiency = AnalyzeMemoryEfficiency(data);
parallelEfficiency = AnalyzeParallelEfficiency(data);
return metrics;
}
private:
uint64_t CalculateTheoreticalTime(const TilingData& data) {
// FLOPS计算
double totalFlops = data.totalElements * data.opsPerElement;
// 考虑硬件峰值FLOPS
double peakFlops = GetPeakFLOPS();
return totalFlops / peakFlops;
}
};
## Tiling策略选择checklist
### 算子特性分析
- [ ] 数据规模大小
- [ ] 计算模式(element-wise / reduce / complex)
- [ ] 内存访问模式
- [ ] 依赖关系复杂度
### 硬件特性考虑
- [ ] AI Core数量
- [ ] 内存层次大小
- [ ] 缓存行大小
- [ ] 带宽限制
### 策略选择原则
- 小数据量(<1K) → 静态Tiling
- 中等数据量(1K-64K)→ 动态Tiling
- 大数据量(>64K)→ 混合Tiling
### 优化目标
- [ ] 最大化并行度
- [ ] 最小化内存传输
- [ ] 提高缓存命中率
- [ ] 负载均衡
// 1. 预计算优化
class PrecomputedTiling {
private:
// 预计算的常用Tiling配置
static constexpr std::array<ShapeConfig, 8> commonShapes = {
{{224, 224}, {512, 512}, {1024, 1024},
{2048, 2048}, {4096, 4096}, {8192, 8192}}
};
public:
const ShapeConfig* GetOptimalConfig(const ShapeInfo& shape) {
for (const auto& config : commonShapes) {
if (shape.matches(config)) {
return &config;
}
}
return nullptr;
}
};
// 2. 内存对齐优化
class AlignmentOptimizer {
public:
template <typename T>
constexpr size_t GetOptimalAlignment() {
// 根据数据类型确定对齐
if constexpr (std::is_same_v<T, float16>) {
return 16; // 16字节对齐(8个half)
} else if constexpr (std::is_same_v<T, float32>) {
return 32; // 32字节对齐(8个float)
} else if constexpr (std::is_same_v<T, float64_t>) {
return 64; // 64字节对齐(8个double)
}
return 32; // 默认对齐
}
};
// 3. 调试优化
class TilingDebugger {
public:
static void ValidateTilingResult(
const TilingData& tilingData,
const std::string& opType) {
// 验证基本约束
ValidateBasicConstraints(tilingData);
// 验证内存约束
ValidateMemoryConstraints(tilingData);
// 验证并行约束
ValidateParallelConstraints(tilingData);
// 生成调试报告
GenerateDebugReport(tilingData, opType);
}
};
  1. 统一的框架设计

    • 标准化的Tiling执行流程
    • 灵活的策略注册机制
    • 多层级错误处理
  2. 智能的优化策略

    • 多种Tiling模式支持
    • 动态策略选择
    • 硬件感知优化
  3. 高效的内存管理

    • 多级内存层次利用
    • 精细的UB空间管理
    • 内存复用优化
  4. 完善的性能优化

    • 并行度最大化
    • 缓存友好设计
    • 流水线并行
  • 计算效率:平均提升2-4倍
  • 内存效率:带宽利用率提升60-80%
  • 并行效率:核心利用率达到85-95%
  • 开发效率:Tiling代码复用率80%

Tiling机制为CANN提供了:

  • 自动化优化:无需手工调优
  • 硬件适配:自动适配不同硬件
  • 可扩展性:易于添加新策略
  • 可维护性:统一的开发接口

通过系统性的Tiling机制,CANN成功实现了从手动优化到自动优化的转变,为AI计算提供了强大的性能优化能力。



本文基于CANN 7.0版本编写,深入解析了Tiling机制的实现原理和优化策略。