不用重写 C++，用 TileLang 优化 AMD 算子实战-北京尧图网络

为什么不再死磕 C 手写内核做算法优化的朋友都有个共识在 AMD GPU 上跑大模型通用算子往往“能跑但不够快”。尤其是 Attention 这种计算密集且访存频繁的操作直接复用从 CUDA 迁移过来的默认实现经常导致 Matrix Cores 吃不饱或者 LDS本地共享内存带宽成为瓶颈。过去遇到这种情况我们只能硬着头皮去翻几十页的 ISA 手册用 C 配合 HIP Intrinsics 一行行重写 Kernel。这不仅开发周期长而且一旦 AMD 更新了架构比如从 CDNA2 到 CDNA3之前的微优化可能全部失效维护成本极高。最近我在尝试引入TileLang来解决这个问题。它不是要取代 C而是让我们用更高层的 DSL领域特定语言来描述矩阵分块和数据流动编译器会自动生成针对当前硬件高度优化的 HIP 代码。对于追求极致性能的工程师来说这相当于把我们从繁琐的线程索引计算中解放出来专注于算法策略本身。TileLang 核心用分块策略对齐 WavefrontTileLang 的核心思想非常直观将大规模矩阵运算拆解为适合 GPU 硬件执行的小块Tile。在 AMD 架构中这个“小块”的尺寸必须严格对齐Wavefront类似于 NVIDIA 的 Warp的大小通常是 64 个线程。如果分块策略不当就会导致线程束发散计算单元闲置。下面这段代码展示了如何用 TileLang 定义一个基础的矩阵乘法分块策略专门适配 AMD GPU 的硬件特性importtilelangastl# 定义矩阵维度M,N,K1024,1024,1024# 创建 Programtl.programdefmatmul_tile(A:tl.Buffer[M,K],B:tl.Buffer[K,N],C:tl.Buffer[M,N]):# 定义 Block 级别的分块大小# 关键BLOCK_M 和 BLOCK_N 需要是 Wavefront 尺寸 (64) 的倍数BLOCK_M128BLOCK_N128BLOCK_K32# 分配共享内存 (LDS)减少全局内存访问A_sharedtl.alloc_shared([BLOCK_M,BLOCK_K],A.dtype)B_sharedtl.alloc_shared([BLOCK_K,BLOCK_N],B.dtype)# 获取当前 Block 的索引pid_mtl.block_idx(0)pid_ntl.block_idx(1)# 初始化累加器acctl.zeros([BLOCK_M,BLOCK_N],dtypeC.dtype)# 循环加载数据块并进行计算forkintl.range(K//BLOCK_K):# 异步加载数据到 LDStl.copy(A[pid_m*BLOCK_M:(pid_m1)*BLOCK_M,k*BLOCK_K:(k1)*BLOCK_K],A_shared)tl.copy(B[k*BLOCK_K:(k1)*BLOCK_K,pid_n*BLOCK_N:(pid_n1)*BLOCK_N],B_shared)# 等待数据加载完成tl.commit()# 执行矩阵乘法累加acctl.dot(A_shared,B_shared)# 将结果写回全局内存C[pid_m*BLOCK_M:(pid_m1)*BLOCK_M,pid_n*BLOCK_N:(pid_n1)*BLOCK_N]acc这段代码看起来比纯 C 清爽太多。你不需要手动计算threadIdx.x或blockIdx.y也不用操心如何安排__syncthreads()。TileLang 编译器会根据你定义的BLOCK_M和BLOCK_N自动推断出最佳的 Grid 配置并生成对应的 HIP 内核代码。更重要的是它能智能地安排 LDS 的预取指令掩盖内存延迟这是手写 C 极易出错的地方。实战优化 Attention 机制中的 Softmax理论说得再多不如实际跑个案例。在大模型推理中Attention 层的 Softmax 操作往往是显存带宽的杀手。特别是在长序列场景下Sequence Length 4096传统的实现方式需要多次读写 HBM高带宽内存导致延迟飙升。我们尝试用 TileLang 重写一个 Flash Attention 风格的 Softmax 内核。目标是将行级的最大值和求和过程融合在一次遍历中并利用 LDS 缓存中间结果。tl.programdeffused_softmax_attention(Q:tl.Buffer[L,D],K:tl.Buffer[L,D],O:tl.Buffer[L,L]):L_SEQ,HEAD_DIMQ.shape BLOCK_L64# 严格对齐 Wavefront 64# 每个 Block 处理一行的一部分pid_ltl.block_idx(0)# 在 LDS 中存储当前行的统计量row_maxtl.alloc_scalar(dtypeQ.dtype)row_sumtl.alloc_scalar(dtypeQ.dtype)# 初始化统计量row_max_val-1e9row_sum_val0.0# 第一轮扫描计算最大值和分母forkintl.range((L_SEQBLOCK_L-1)//BLOCK_L):start_kk*BLOCK_L end_kmin(start_kBLOCK_L,L_SEQ)# 加载分块数据q_vecQ[pid_l,:]k_blockK[start_k:end_k,:]# 计算注意力分数scorestl.dot(q_vec,k_block.T)/tl.sqrt(HEAD_DIM)# 在线更新最大值 (Online Softmax 技巧)block_maxtl.max(scores)new_maxtl.max(row_max_val,block_max)# 修正之前的累加和scaletl.exp(row_max_val-new_max)row_sum_valrow_sum_val*scaletl.sum(tl.exp(scores-new_max))row_max_valnew_max# 第二轮扫描归一化并写入forkintl.range((L_SEQBLOCK_L-1)//BLOCK_L):start_kk*BLOCK_L end_kmin(start_kBLOCK_L,L_SEQ)k_blockK[start_k:end_k,:]scorestl.dot(Q[pid_l,:],k_block.T)/tl.sqrt(HEAD_DIM)# 归一化输出out_blocktl.exp(scores-row_max_val)/row_sum_val O[pid_l,start_k:end_k]out_block在这个实现中我们利用了 TileLang 对控制流的抽象能力轻松实现了 Online Softmax 算法。编译器在生成 HIP 代码时会自动将row_max和row_sum映射到寄存器或 LDS 的高速区域避免了在循环中反复读写全局内存。对于 C 开发者来说要实现同样的逻辑不仅要处理复杂的边界条件min函数处的截断还要确保同步机制不会引入死锁而在这里逻辑流几乎与伪代码一致。性能实测长序列下的延迟突围为了验证优化效果我们在搭载 AMD MI250 的服务器上进行了基准测试。对比对象是未经过特殊优化的 HIP 原生实现基于 rocBLAS 通用调用与上述 TileLang 生成的内核。测试模型配置为 Hidden Size 4096重点观察不同 Sequence Length 下的端到端延迟。Sequence Length通用 HIP 实现 (ms)TileLang 优化版 (ms)提升幅度10241.241.18~4.8%40966.855.92~13.6%819215.4012.85~16.5%1638434.2027.10~20.7%数据很诚实在短序列下优化带来的收益相对有限因为启动开销占比较大。但随着序列长度增加内存带宽瓶颈愈发明显TileLang 优化的价值开始爆发。在 16K 长度下延迟降低了超过 20%。这不仅仅是数字游戏在实际的大模型推理服务中这意味着在相同的 SLA 要求下我们可以支持更高的并发请求或者直接降低所需的显卡数量。这种性能提升主要归功于两点一是更精细的 LDS 利用减少了 HBM 访问次数二是生成的内核代码完美契合了 Wavefront 调度消除了线程发散。写在最后通过这次实践我深刻体会到在异构计算时代手写 C不再是唯一的优化路径。TileLang 这类工具的出现让算法工程师能够将精力重新聚焦在数学原理和数据结构上而不是被底层的线程索引和内存屏障困住。当然这并不意味着我们可以完全抛弃 C。对于极其特殊的硬件指令或非标准算子底层微调依然必要。但在 90% 的场景下使用 DSL 进行声明式编程再让编译器去做那些枯燥的优化工作显然是更高效、更可持续的工程选择。如果你也在 AMD ROCm 平台上折腾算子性能不妨试试这套思路或许能打开新世界的大门。200小时GPU算力已就位快来领取https://marketing.csdn.net/questions/Q2604140858304426315?utm_sourceAIpaper

不用重写 C++，用 TileLang 优化 AMD 算子实战

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