基于 MLIR 实现跨架构自动调优 (GPU & Ascend NPU)
扩展阅读：本指南是对《AI 编译器融合技术系统化分类》第 8.3 节“自动调优与调度分离”的深度展开。
1. 核心理念：调度与计算分离
在传统 AI 编译器（如 TVM v1）中，调度逻辑往往硬编码在 C++ 代码中。而在 MLIR 生态中，Transform Dialect 的引入实现了一个革命性的转变：将调度逻辑（Schedule）变成了一段可编译、可修改的 IR 脚本。
自动调优的本质，就是搜索最优的 Transform IR 脚本参数。
- Compute IR (Linalg): 描述“算什么” (e.g.,
matmul(A, B) -> C)。 - Schedule IR (Transform): 描述“怎么算” (e.g.,
tile(32, 32),vectorize,bufferize)。 - Auto-tuner: 一个外部驱动程序（通常是 Python），负责生成无数个 Schedule IR 变体，并在硬件上测量性能。
2. 系统架构设计
一个成熟的 MLIR 自动调优系统通常包含以下闭环：
graph TDA["Input Model (Linalg IR)"] --> B("Search Space Generator")B -->|"Generate Parameters"| C["Transform Script Template"]C -->|"Instantiate"| D["Concrete Transform IR"]A --> E{"MLIR Compiler"}D --> EE -->|"Apply Schedule"| F["Optimized Kernel IR"]F -->|"Codegen & JIT"| G["Machine Code"]G -->|"Benchmark"| H["Hardware (GPU/NPU)"]H -->|"Latency/Throughput"| I["Cost Model / Tuner"]I -->|"Feedback"| B
3. 搜索空间定义 (Search Space)
搜索空间是调优的核心。针对不同硬件，我们需要调优的参数截然不同。
3.1 通用参数
- Fusion Strategy: 是否融合某个 Element-wise 算子？
- Vector Size: 向量化长度 (128, 256, 512 bit)。
3.2 GPU 专用搜索空间 (NVIDIA)
GPU 的核心在于并行度映射和存储层级。
| 参数名 | 说明 | 典型取值范围 |
|---|---|---|
| Tile Size (Grid) | 映射到 Block 的分块大小 | {32, 64, 128, 256} |
| Tile Size (Thread) | 映射到 Warp/Thread 的分块大小 | {4, 8, 16, 32} |
| Unroll Factor | 循环展开因子 | {1, 2, 4, 8} |
| Num Stages | 软件流水线级数 (Shared Memory Pipeline) | {2, 3, 4, 5} |
| Mapping Strategy | 线程映射方式 (Warp, Linear, Blocked) | Enum |
3.3 NPU 专用搜索空间 (Ascend)
NPU 的核心在于 Unified Buffer (UB) 利用率和分形格式对齐。
| 参数名 | 说明 | 典型取值范围 |
|---|---|---|
| Block Tile Size | L1/L0 分块，必须对齐到 16x16 (Fractal) | {32, 64, 128, 256} % 16 == 0 |
| UB Tile Size | 切分到 UB 的大小，受限于 UB 容量 | < 256KB (需计算 Live Size) |
| Double Buffer | 是否开启双缓冲 (Ping-Pong) | Bool (开启则 UB 空间减半) |
| Core Mapping | 多核 (AICORE) 映射策略 | Block Distribution |
4. 实战：构建 MLIR Transform 模板
我们不直接编写 Transform IR，而是编写带有占位符的模板。
场景：矩阵乘法 (MatMul) 调优
4.1 模板定义 (MLIR + Python String Interpolation)
# 这是一个 Python 字符串模板，用于生成 Transform IR
transform_template = """
transform.sequence failures(propagate) {
^bb1(%arg1: !transform.any_op):// 1. 匹配目标算子%matmul = transform.structured.match ops{["linalg.matmul"]} in %arg1// 2. 第一级分块 (Block/Core Level) -> 占位符 ${TILE_L1_M}, ${TILE_L1_N}%tiled_l1, %loops_l1:3 = transform.structured.tile %matmul [${TILE_L1_M}, ${TILE_L1_N}, ${TILE_L1_K}]// 3. 将外层循环映射到硬件并行// GPU -> BlockIdx, NPU -> AICore Clustertransform.structured.map_to_processors %loops_l1 [...]// 4. 第二级分块 (Register/UB Level) -> 占位符 ${TILE_L2_M}, ...%tiled_l2, %loops_l2:3 = transform.structured.tile %tiled_l1 [${TILE_L2_M}, ${TILE_L2_N}, ${TILE_L2_K}]// 5. 硬件特定的后处理 (Padding/Vectorize/Bufferize)${HARDWARE_SPECIFIC_Strategy}
}
"""
4.2 针对 GPU 的实例化策略
对于 NVIDIA GPU，我们需要填充 pipeline 和 async copy 策略。
gpu_strategy = """// 映射到 Threadtransform.structured.map_to_processors %loops_l2 {processors = ["thread_x", "thread_y"]}// 启用 Async Copy (Global -> Shared)transform.structured.fuse_into_containing_op %tiled_l2// 软件流水线 (Software Pipelining)// num_stages 是关键调优参数transform.structured.pipeline_shared_memory_copies %loops_l1 depth(${NUM_STAGES})
"""
4.3 针对 Ascend NPU 的实例化策略
对于 Ascend NPU，重点在于 bufferization 和 UB 管理。
npu_strategy = """// 显式内存提升到 UB (Unified Buffer)// 这里不映射到 Thread，而是映射到 Vector Unit 的循环transform.structured.pad %tiled_l2 ...// 关键：针对 UB 大小进行 Bufferize，如果启用双缓冲，内存空间减半transform.bufferization.one_shot_bufferize layout("fractal")// 插入 NPU 特有的 DMA 指令 (DataCopy)transform.ascend.emit_dma_copy ...
"""
5. 自动调优循环实现 (The Tuning Loop)
这一部分通常由 Python 编写，利用 iree-compiler 或 mlir-opt 的 Python Bindings。
5.1 生成候选集 (Generator)
import itertoolsdef generate_candidates(target="gpu"):candidates = []# 定义搜索网格if target == "gpu":tile_sizes = [64, 128, 256]stages = [2, 3, 4]unroll = [4, 8]for t, s, u in itertools.product(tile_sizes, stages, unroll):# 剪枝：如果 Tile 太大导致 Shared Memory 溢出，直接跳过if t * t * 4 > 48 * 1024: continue candidates.append({"TILE_L1_M": t, "NUM_STAGES": s, ...})elif target == "npu":# NPU 必须对齐 16 (Fractal format requirements)ub_tiles = [32, 64, 128] # KBfor ub in ub_tiles:# 剪枝：检查 UB 容量 (假设 UB=256KB)if ub * 1024 > 256000: continuecandidates.append({"TILE_L2_M": ub, ...})return candidates
5.2 编译与评估 (Runner)
def benchmark(ir_module, transform_script):# 1. 组合 IRfull_ir = ir_module + transform_script# 2. 编译 (Lowering)# 调用 mlir-opt 执行 transform dialect 解释器try:binary = compile_to_binary(full_ir)except CompilationError:return float('inf') # 编译失败（如资源溢出），代价无穷大# 3. 运行 (Execution)# 在真实硬件上跑 100 次取平均耗时latency = run_on_device(binary, warmup=10, steps=100)return latency
6. 高级优化：基于机器学习的代价模型
全空间搜索（Exhaustive Search）太慢了。为了加速，我们可以引入 Learned Cost Model。
6.1 数据集构建
- Feature: 提取 IR 特征（FLOPs, I/O 字节, Tile Size, Loop Depth）。
- Label: 实际运行的 Latency。
6.2 训练与预测
使用 XGBoost 或 LightGBM：
# 训练阶段
model.fit(X=ir_features + tuning_params, y=latency)# 调优阶段
# 不再运行 run_on_device，而是直接预测
predicted_latency = model.predict(candidate_params)
# 仅对预测性能最好的 Top-10 候选者进行真实硬件验证
top_candidates = sort(candidates, key=predicted_latency)[:10]
总结：GPU vs NPU 调优关注点对照表
| 关注维度 | GPU (NVIDIA) | Ascend NPU (Huawei) |
|---|---|---|
| 并行粒度 | Thread Block & Warp | Cube Core & Vector Core |
| 关键内存 | Shared Memory (用户可控) | Unified Buffer (UB) (极度受限) |
| 数据布局 | Row/Col Major (Coalesced Access) | Fractal Format (ZnZ, NC1HWC0) |
| 流水线 | Async Copy (Cp.Async) | Double Buffering (Ping-Pong) |
| 失败主因 | Register Spilling (寄存器溢出) | UB Overflow (UB 空间不足) |
通过 MLIR 的 Transform Dialect，我们能够用一套统一的基础设施（Infrastructure），仅仅通过更换生成的变换脚本（Script），就能够同时适配和优化 GPU 与 NPU，这正是编译器技术发展的最新前沿。
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