Кратко про язык программирования Triton

Привет, Хабр!

Triton был разработан специально для выполнения на GPU и предоставляет удобную Python-ориентированную среду.

Triton позволяет использовать модель программирования, основанную на блоках, которая значительно отличается от традиционной модели CUDA. Вместо управления потоками на уровне скалярных инструкций, Triton оперирует блоками данных, что в целом дает более лучшую производительность.

В отличие от стандартного подхода CUDA, где исполнение кода организуется через взаимодействие множества потоков, Triton структурирует выполнение на уровне программ. Т.е каждый блок программы может быть исполнен независимо, с возможностью обращения к глобальной памяти GPU и выполнения асинхронных операций без явного управления синхронизацией потоков.

Компилятор Triton применяет сложные стратегии оптимизации, к примеру такие как анализ потока данных и управление памятью на уровне блоков. Это включает в себя: автоматическая векторизация, предварительная выборка данных, и использование тензорных ядер, где это возможно. Такой подход позволяет максимально использовать возможности GPU.

Установим

Самый простой и доступный способ установить Triton — это через pip:

pip install triton

Triton можно также собрать из исходников. Для этого клонируем репозиторий и устанавливаем необходимые зависимости:

git clone https://github.com/openai/triton.git
cd triton/python
pip install ninja cmake wheel
pip install -e .

Учтите, что если на системе не установлен llvm, скрипт setup.py скачает официальные статические библиотеки LLVM и свяжет их.

Рассмотрим весь основной синтаксис

Triton использует декоратор @triton.jit для компиляции Python-функций в GPU ядра. Пример определения функции:

@triton.jit
def my_kernel(x_ptr, y_ptr, z_ptr, N):
    # тело функции

Можно использовать операции с тензорами, наподобие тех, что есть в NumPy. Пример создания тензора и выполнения операции:

x = triton.testing.randn((N,), dtype=torch.float32, device=device)
y = triton.testing.randn((N,), dtype=torch.float32, device=device)

Также есть поддержка операций индексации и срезов, аналогичные Python:

x = x_ptr + tl.arange(0, N, dtype=tl.int64)

Есть различные функции для управления памятью, включая загрузку tl.load и сохранение tl.store данных:

x = tl.load(x_ptr + idx)
tl.store(z_ptr + idx, x + 5)

Можно контролировать распределение памяти и выполнение потоков на GPU таким образом:

BLOCK_SIZE = 128
grid = lambda meta: (triton.cdiv(N, BLOCK_SIZE),)

Есть также множество встроенных математических функций:

1. abs - вычисляет поэлементное абсолютное значение x.

2. cdiv - вычисляет потолок от деления x на div.

3. clamp - ограничивает тензор x в пределах указанного диапазона [min, max].

4. cos - вычисляет поэлементный косинус x.

5. div_rn - вычисляет поэлементное точное деление x на y с округлением к ближайшему целому.

6. erf - вычисляет поэлементную функцию ошибок x.

7. exp - вычисляет поэлементную экспоненту x.

8. exp2 - вычисляет поэлементную экспоненту x по основанию 2.

9. fma - вычисляет поэлементно слияние умножения и сложения для x, y и z (x * y + z).

10. fdiv - вычисляет поэлементное быстрое деление x на y.

11. floor - вычисляет поэлементное округление x вниз.

12. log - вычисляет поэлементный натуральный логарифм x.

13. log2 - вычисляет поэлементный логарифм x по основанию 2.

14. maximum - вычисляет поэлементный максимум из x и y.

15. minimum - вычисляет поэлементный минимум из x и y.

16. sigmoid - вычисляет поэлементную сигмоидную функцию x.

17. sin - вычисляет поэлементный синус x.

18. softmax - вычисляет поэлементную softmax функцию x.

19. sqrt - вычисляет поэлементный быстрый квадратный корень x.

20. sqrt_rn - вычисляет поэлементный точный квадратный корень x с округлением к ближайшему.

21. umulhi - вычисляет поэлементно старшие N бит из 2N-битного произведения x и y.

Юзать их достаточно просто, к примеру:

z = tl.maximum(x, y)

После определения функции её можно скомпилировать и выполнить, передав соответствующие параметры:

my_kernel[grid](x_ptr, y_ptr, z_ptr, N)

Есть поддержка векторизации:

x = tl.load(x_ptr + tl.arange(0, BLOCK_SIZE))

Есть стандартные условные операторы, такие как if, else :

if idx < N:
    x = x_ptr[idx]
    y = y_ptr[idx]
    z_ptr[idx] = x + y

Когда нужно, чтобы несколько потоков должны безопасно обновлять одни и те же данные, можно юзать атомарные операции, такие как tl.atomic_add:

tl.atomic_add(z_ptr[idx], x + y)

Здесь мы выполнили атомарное сложение по указанному адресу памяти.

Прочие атомарные операции:

1. atomic_cas

   • Выполняет атомарную операцию сравнения и замены по указанному адресу памяти.

2. atomic_max

   • Выполняет атомарное нахождение максимума по указанному адресу памяти.

3. atomic_min

   • Выполняет атомарное нахождение минимума по указанному адресу памяти.

4. atomic_or

   • Выполняет атомарную логическую операцию ИЛИ по указанному адресу памяти.

5. atomic_xchg

   • Выполняет атомарный обмен значениями по указанному адресу памяти.

6. atomic_xor

   • Выполняет атомарную логическую операцию исключающее ИЛИ по указанному адресу памяти.

Также есть операции сканирования и сортировки:

1. associative_scan

   • Применяет функцию combine_fn к каждому элементу с сохранением промежуточного значения carry в тензорах вдоль указанной оси и обновляет carry.

2. cumprod

   • Возвращает кумулятивное произведение всех элементов в тензоре вдоль указанной оси.

3. cumsum

   • Возвращает кумулятивную сумму всех элементов в тензоре вдоль указанной оси.

4. histogram

   • Вычисляет гистограмму на основе входного тензора с заданным числом корзин num_bins, корзины имеют ширину 1 и начинаются с 0.

5. sort

   • Сортирует элементы тензора. Может быть вызвана как метод тензора x.sort(...).

И стандартные операции редукции:

1. argmax

   • Возвращает индекс максимального элемента в тензоре вдоль указанной оси.

2. argmin

   • Возвращает индекс минимального элемента в тензоре вдоль указанной оси.

3. max

   • Возвращает максимальное значение среди всех элементов тензора вдоль указанной оси.

4. min

   • Возвращает минимальное значение среди всех элементов тензора вдоль указанной оси.

5. reduce

   • Применяет функцию комбинирования combine_fn ко всем элементам входных тензоров вдоль указанной оси.

Итак, как все это применять?

Можно юзать atomic_add для эффективной реализации градиентного спуска в среде с высокой степенью параллелизма. Например, при обучении больших нейронных сетей на GPU, атомарные операции могут обеспечить обновление весов без конфликтов между потоками:

@triton.jit
def update_weights(grads, weights, learning_rate):
    pid = tl.program_id(0)
    for i in range(pid, grads.shape[0], tl.num_programs()):
        tl.atomic_add(weights, i, -learning_rate * grads[i])

Можно также юзать sort и reduce для реализации алгоритмов кластеризации, таких как K-means, где необходимо сортировать данные и вычислять центроиды:

@triton.jit
def k_means_update(x, centroids, labels, num_clusters):
    # вычисление расстояний и присвоение меток
    block_start = tl.program_id(0) * tl.num_programs()
    distances = tl.zeros((num_clusters,), dtype=tl.float32)
    for i in range(block_start, min(block_start + BLOCK_SIZE, x.shape[0])):
        for c in range(num_clusters):
            distances[c] = tl.sum(tl.pow(x[i] - centroids[c], 2))
        labels[i] = tl.argmin(distances)
    # обновление центроидов
    for c in range(num_clusters):
        assigned_pts = x[labels == c]
        centroids[c] = tl.sum(assigned_pts, axis=0) / len(assigned_pts)

А вот exp, max, и log можно юзать например, для фунций softmax:

@triton.jit
def softmax(x):
    max_val = tl.max(x, axis=1, keepdims=True)
    exp_x = tl.exp(x - max_val)
    sum_exp_x = tl.sum(exp_x, axis=1, keepdims=True)
    return exp_x / sum_exp_x

Можно использовать cumsum для расчёта скользящего среднего (что применимо во временных рядах):

@triton.jit
def moving_average(data, window_size):
    cum_sum = tl.cumsum(data, axis=0)
    return (cum_sum[window_size:] - cum_sum[:-window_size]) / window_size

associative_scan подходит для реализации алгоритма прямого распространения в RNN, где последовательные зависимости могут быть эффективно обработаны с помощью этой операции:

@triton.jit
def rnn_step(hidden, input, weights):
    carry = tl.zeros_like(hidden)
    for t in range(input.shape[0]):
        carry = tl.associative_scan(lambda h, x: tl.tanh(x @ weights + h), input[t], axis=0)
        hidden[t] = carry
    return hidden

Также можно применить associative_scan для реализации параллельного алгоритма быстрого преобразования Фурье:

@triton.jit
def fft_step(data, step_size):
    idx = tl.program_id(0) * step_size * 2 + tl.arange(0, step_size)
    t = exp(-2j * pi / (2 * step_size) * idx)
    u = data[idx]
    v = data[idx + step_size] * t
    data[idx] = u + v
    data[idx + step_size] = u - v

---

Более подробно с Triton можно ознакомиться здесь.

Материал подготовлен в преддверии старта специализации "Machine Learning".