变形金刚是今天最重要的机器学习工作负载之一。培训是一个非常计算密集的任务，通常需要几天或几周，并且对优化变压器进行了重大关注。尽管如此，现有的实现不会有效地利用GPU。我们发现数据移动是培训时的关键瓶颈。由于Amdahl的法律和大规模改进的计算性能，培训现已成为记忆束缚。此外，现有框架使用次优数据布局。使用这些洞察力，我们提供了一个用于全局优化变压器数据移动的配方。我们将数据移动降低到22.91％，总体上实现了在训练伯特编码器层和1.19x的整个伯特的最先进框架上的1.30倍的性能改进。我们的方法更广泛地适用于优化深神经网络，并深入了解如何解决新兴的性能瓶颈。

深度学习的快速进步正在导致一系列快速变化的模型，对计算的需求急剧增长。但是，随着框架将性能优化专门针对流行网络的模式，它们隐含地限制了推动研究进展的新颖和多样化的模型。我们通过定义灵活和用户可定制的管道来优化基于数据运动最小化的任意深神经网络的培训来赋予深度学习研究人员的能力。管道始于Pytorch或ONNX中的标准网络，并通过逐步降低转换计算。我们定义了四个级别的通用转换级别，从局部操作员优化到全球数据运动减少。这些在以数据为中心的图形中间表示上运行，该表示在各个级别的抽象级别表达计算和数据移动，包括扩展基本运算符，例如其基础计算的卷积。设计的核心是管道的互动性和内省性质。每个部分都可以通过Python API扩展，并且可以使用GUI进行交互调整。我们在十个不同的网络上展示了竞争性能或加速性，交互式优化发现了高效网络中的新机会。

基于变压器的神经模型在许多AI应用中使用。培训这些模型很昂贵，因为它需要大量的GPU资源和较长的持续时间。这是具有挑战性的，因为诸如句子之类的典型数据具有可变的长度，而变压器的计算模式比卷积神经网络更为复杂。现有系统要么仅专注于模型推理，要么仅针对BERT样编码器模型进行优化。在本文中，我们提出了LightSeq2，该系统是为GPU上的一般变压器模型加速培训的系统。我们提出了一系列针对变压器模型的特定计算流量和内存访问模式量身定制的GPU优化技术。 LightSeq2支持许多模型体系结构，包括BERT（仅编码），GPT（仅解码器），变压器（编码器编码器）和视觉变压器。我们对各种模型和基准测试的实验表明，LightSeq2始终比不同GPU上的先前系统更快（1.4-3.5倍）。特别是，与大型公共机器翻译基准（WMT14英语 - 德国人）上的现有系统相比，它获得了308％的培训速度。

在过去十年中，已经开发出新的深度学习（DL）算法，工作负载和硬件来解决各种问题。尽管工作量和硬件生态系统的进步，DL系统的编程方法是停滞不前的。 DL工作负载从DL库中的高度优化，特定于平台和不灵活的内核，或者在新颖的操作员的情况下，通过具有强大性能的DL框架基元建立参考实现。这项工作介绍了Tensor加工基元（TPP），一个编程抽象，用于高效的DL工作负载的高效，便携式实现。 TPPS定义了一组紧凑而多才多艺的2D张镜操作员（或虚拟张量ISA），随后可以用作构建块，以在高维张量上构建复杂的运算符。 TPP规范是平台 - 不可行的，因此通过TPPS表示的代码是便携式的，而TPP实现是高度优化的，并且特定于平台。我们展示了我们使用独立内核和端到端DL＆HPC工作负载完全通过TPPS表达的方法的效力和生存性，这在多个平台上优于最先进的实现。

过去的几年见证了基于变压器的模型的成功，其规模和应用方案继续积极发展。变压器模型的当前景观越来越多样化：该模型大小差异很大，最大的参数是最大的。模型特性由于特征的混合物所引入的稀疏性而有所不同。目标应用程序方案可以是关键延迟或面向吞吐量的情况；部署硬件可以是具有不同类型的内存和存储等单身或多GPU系统。随着多样性的增加和变压器模型的快速发展速度，设计高性能和高效的推理系统非常具有挑战性。在本文中，我们提出了DeepSpeed推断，这是用于解决上述挑战的变压器模型推理的全面系统解决方案。深速推理包括（1）一种多GPU推理解决方案，可最大程度地减少潜伏度，同时最大化密集和稀疏变压器模型的吞吐量，当它们适合聚集的GPU内存时，以及（2）一种异质推理解决方案，该解决方案利用CPU和NVME内存中的CPU和NVME内存。除了GPU内存和计算以使高推理吞吐量具有不适合聚集GPU内存的大型推理吞吐量。对于面向延迟的方案，深速推理可将延迟降低到最新的7倍，而对于面向吞吐量的方案，延迟的潜伏期将延迟减少到1.5倍以上。此外，它通过利用数百个GPU来实现实时延迟约束下的参数量表推断，这是一个前所未有的推理。它可以比仅使用GPU的解决方案更大的25倍模型，同时提供84个TFLOPS（超过50美元的A6000峰值）。

There is an increasing need to bring machine learning to a wide diversity of hardware devices. Current frameworks rely on vendor-specific operator libraries and optimize for a narrow range of server-class GPUs. Deploying workloads to new platforms -such as mobile phones, embedded devices, and accelerators (e.g., FPGAs, ASICs) -requires significant manual effort. We propose TVM, a compiler that exposes graph-level and operator-level optimizations to provide performance portability to deep learning workloads across diverse hardware back-ends. TVM solves optimization challenges specific to deep learning, such as high-level operator fusion, mapping to arbitrary hardware primitives, and memory latency hiding. It also automates optimization of low-level programs to hardware characteristics by employing a novel, learning-based cost modeling method for rapid exploration of code optimizations. Experimental results show that TVM delivers performance across hardware back-ends that are competitive with state-ofthe-art, hand-tuned libraries for low-power CPU, mobile GPU, and server-class GPUs. We also demonstrate TVM's ability to target new accelerator back-ends, such as the FPGA-based generic deep learning accelerator.The system is open sourced and in production use inside several major companies.

本文介绍了有关如何架构，设计和优化深神经网络（DNN）的最新概述，以提高性能并保留准确性。该论文涵盖了一组跨越整个机器学习处理管道的优化。我们介绍两种类型的优化。第一个改变了DNN模型，需要重新训练，而第二个则不训练。我们专注于GPU优化，但我们认为提供的技术可以与其他AI推理平台一起使用。为了展示DNN模型优化，我们在流行的Edge AI推理平台（Nvidia Jetson Agx Xavier）上改善了光流的最先进的深层网络体系结构之一，RAFT ARXIV：2003.12039。

注意机制为各种任务形成最先进的机器学习模型的骨干。然而，在深神经网络（DNN）加速器上部署它们，特别是在长序列下挑战，因为这项工作识别。这是由于展示层数的运营商，在记忆占地面积中表现出有限的再利用机会和二次生长，导致严重的记忆界限。为了解决这个问题，我们介绍了一个新的注意力定制数据流，被称为扁平，它识别注意层内的融合机会，并实现片上内存感知交错执行和平铺机制。通过有效利用高带宽，低容量的片上缓冲器，平坦增加了有效的内存带宽，从而实现了更好的运行时间和计算资源利用率。在我们的评估中，扁平达到1.94倍和1.76倍的加速度和49％和42％的能量减少与最先进的边缘和云加速器的基线执行相比。

深度神经网络（DNN）已成为移动设备上许多主要应用的核心推动因素。为实现高精度，DNN模型越来越深，数百甚至数千个操作层，导致高记忆和推理的计算要求。操作员融合（或内核/层融合）是许多最先进的DNN执行框架中的关键优化，例如Tensorflow，TVM和MNN。然而，这些框架通常根据某些模式采用融合方法，这些模式过于限制，以涵盖运营商和层连接的多样性。另一方面，基于多面体的循环融合技术，在没有运营商级信息的情况下对计算的低级视图工作，并且也可能错过潜在的融合机会。为了解决这一挑战，本文提出了一种名为DNNFusion的新颖和广泛的环路融合框架。这项工作的基本思想是在DNN的操作员视图下工作，但通过开发个人运营商及其组合的分类来扩展融合机会。此外，DNNFusion包括1）基于新的基于数学 - 性能的图形重写框架，以降低评估成本，并促进后续操作员融合，2）一种集成的融合计划，利用高级分析和精确的轻量级分析，以及3 ）融合代码生成期间的附加优化。在15个DNN模型中广泛评估DNNFusion，具有各种任务，模型尺寸和图层计数。评估结果表明，DNNFusion最高达到8.8倍的融合机会，优于具有9.3倍的最先进的DNN执行框架。记忆要求减少和加速可以在移动设备上执行许多目标模型，甚至可以使它们成为实时应用程序的一部分。

近来增加大型机器学习模型的趋势需要分发培训和推理任务。考虑到培训这些模型的巨大成本，必须在计算和沟通中解锁优化以获得最佳性能。然而，深入学习框架中的计算和通信内核之间的当前逻辑分离遍及此类障碍的优化机会。通过整体考虑破坏此抽象可以提供许多优化，以提供分布式工作负载中的性能改进。手动应用这些优化需要在每个场景中的底层计算和通信库中的修改，这是耗时和容易出错的。因此，我们呈现Coconet，用DSL表达具有计算和通信的程序。 Coconet包含几种机器学习感知转换，以优化程序和编译器以生成高性能内核。作为第一类构造的计算和通信允许用户在高级抽象上工作，并应用强大的优化，例如融合或传播和计算重叠。 Coconet使我们能够以几行代码在大型语言模型中优化数据，模型和管道平行工作负载。实验显示椰子显着优于最先进的分布式机器学习实现。

深度学习领域目睹了对极端计算和内存密集型神经网络的显着转变。这些较新的较大模型使研究人员能够推进各种领域的最先进的工具。这种现象刺激了在更多的硬件加速器上产生了针对神经网络的分布式训练的算法。在本文中，我们讨论并比较了当前的最先进的框架，以实现大规模的分布式深度学习。首先，我们调查分布式学习中的当前实践，并确定所使用的不同类型的并行性。然后，我们提出了对大型图像和语言培训任务的性能进行了经验结果。此外，我们解决了他们的统计效率和内存消耗行为。根据我们的结果，我们讨论了阻碍性能的每个框架的算法和实现部分。

成倍增长的模型大小驱动了深度学习的持续成功，但它带来了过度的计算和记忆成本。从算法的角度来看，已经研究了模型的稀疏和量化以减轻问题。从体系结构的角度来看，硬件供应商提供了张量核心以进行加速。但是，由于严格的数据布局要求以及缺乏有效操纵低精度整数的支持，因此从稀疏的低精度矩阵操作中获得实践加速非常具有挑战性。我们提出了Magicube，这是一个高性能的稀疏矩阵库，用于张量芯上的低精度整数。 Magicube支持SPMM和SDDMM，这是深度学习的两个主要稀疏操作。 NVIDIA A100 GPU的实验结果表明，Magicube平均在供应商优化的库中平均达到1.44倍（高达2.37倍）的速度，用于稀疏内核，而在最先进的艺术品上进行了1.43倍的速度，具有可比的准确性。端到端稀疏变压器推断。

随着机器学习系统的计算要求以及机器学习框架的规模和复杂性的增加，基本框架创新变得具有挑战性。尽管计算需求驱动了最近的编译器，网络和硬件的进步，但通过机器学习工具对这些进步的利用却以较慢的速度发生。这部分是由于与现有框架原型制作新的计算范式有关的困难。大型框架将机器学习研究人员和从业人员作为最终用户的优先级优先，并且很少关注能够向前推动框架的系统研究人员 - 我们认为两者都是同等重要的利益相关者。我们介绍了手电筒，这是一个开源库，旨在通过优先考虑开放式，模块化，可定制的内部设备以及最新的，可用于研究的模型和培训设置，以刺激机器学习工具和系统的创新。手电筒使系统研究人员能够快速原型并尝试机器学习计算中的新思想，并且开销低，与其他流行的机器学习框架竞争并经常超过其他流行的机器学习框架。我们将手电筒视为一种工具，可以使可以使广泛使用的图书馆受益，并使机器学习和系统研究人员更加紧密地结合在一起。手电筒可从https://github.com/flashlight/flashlight获得。

一般矩阵乘法或GEMM内核在高性能计算和机器学习中占据中心位置。最近的NVIDIA GPU包括Gemm加速器，如Nvidia的张量核心。他们的剥削受到双语言问题的阻碍：它需要低级编程，这意味着低程序员的工作效率或使用只提供有限组件集的库。由于建立的组件方面的REPRASING算法经常引入开销，因此图书馆缺乏灵活性限制了探索新算法的自由。因此，使用GEMMS的研究人员无法立即享受编程生产力，高性能和研究灵活性。在本文中，我们解决了这个问题。我们在科学朱莉娅编程语言中展示了三组抽象和接口来编程宝石。界面和抽象共同设计用于研究人员的需求和朱莉娅的特征，以实现足够的担忧和灵活性的充分分离，以便在不支付性能价格的情况下轻松地扩展基本宝石。将我们的Gemms与最先进的图书馆Cublas和Cutlass进行比较，我们证明我们的性能在图书馆的相同球场中，并且在某些情况下甚至超过它，而无需在CUDA C ++中编写单行代码或者组装，而不面临灵活限制。

变压器在长序列上是缓慢的，渴望记忆力，因为自我注意的时间和记忆复杂性在序列上是二次的。近似关注方法试图通过交易模型质量以降低计算复杂性来解决此问题，但通常无法实现墙壁锁定的加速。我们认为，缺失的原则是提出注意力算法，以考虑读取和在GPU记忆层次之间写入。我们提出了FlashAttention，这是一种IO意识的精确注意算法，该算法使用平铺来减少GPU高带宽内存（HBM）和GPU芯片SRAM之间的内存读数/写入/写入。我们分析了闪存的IO复杂性，表明它所需的HBM访问少于标准注意力，并且对于一系列SRAM尺寸而言是最佳的。我们还扩展了闪光词，以引起障碍物的注意，从而产生了比任何现有的近似关注方法更快的近似关注算法。闪存火车的变压器​​比现有基准快：与MLPERF 1.1训练速度记录相比，Bert-Large（第512秒）的端到端壁式锁定加速度为15％，GPT-2上的3 $ \ times $ speedup（seq） 。闪存表现和块状闪光词可在变压器中实现更长的上下文，从而产生更高质量的模型（GPT-2上的0.7更好的困惑和长期分类的6.4点升力）和全新的功能：第一个实现优于更好的Chance的变压器PATH-X挑战（Seq。Length16K，61.4％精度）和PATH-256（Seq。Length64K，63.1％精度）上的性能。

基础模型正在成为主要的深度学习技术。由于模型参数和训练数据集的大规模，预处理基础模型始终耗时。除了计算密集型外，培训过程还非常密集和沟通密集。这些功能使得需要应用3D并行性，该平行性整合数据并行性，管道模型并行性和张量模型并行性，以实现高训练效率。为了实现这一目标，开发了一些自定义软件框架，例如Megatron-LM和DeepSpeed。但是，当前的3D平行框架仍然符合两个问题：i）它们对模型开发人员不透明，这些开发人员需要手动修改模型以并行化培训。 ii）它们对计算，GPU存储器和网络带宽的利用不足。我们提出了Merak，这是一个自动化的3D并行性深度学习培训框架，并具有高度资源利用。 Merak会自动使用自动模型分区仪部署，该分区仪在模型的代理表示上使用图形sharding算法。 Merak还提出了非侵入性的API，用于通过最小的代码修改来扩展基础模型培训。此外，我们在Merak设计了高性能的3D平行运行时引擎。它使用多种技术来利用可用的培训资源，包括移动的关键路径管道时间表，该计划带来了更高的计算利用率，阶段感知的重新计算，可利用空闲工作者的记忆以及子额定张量的模型并行性，这些模型并联与通信和计算重叠。 64 GPU的实验显示，Merak可以加快在最新的3D平行性框架上，具有1.5、2.5、8.3和20亿的模型框架，最高可达1.42x，1.39x，1.43x和1.61 x分别。

变压器验证引起了机器学习研究和行业的越来越多的关注。它正式验证了变压器对对抗性攻击的鲁棒性，例如用同义词交换单词。但是，由于以中线为中心的计算，变压器验证的性能仍然不令人满意，这与标准神经网络有显着差异。在本文中，我们提出了信仰，这是用于GPU的变压器验证的有效框架。我们首先提出一个语义意识的计算图转换，以识别语义信息，例如变压器验证中的结合计算。我们利用此类语义信息，以在计算图级别启用有效的内核融合。其次，我们提出了一个验证专门的内核手工艺品，以有效地将变压器验证映射到现代GPU。该手工艺者利用了一组GPU硬件支持，以加速通常是内存密集型的验证专业操作。第三，我们提出了一个专家指导的自动调整，以纳入有关GPU后端的专家知识，以促进大型搜索空间探索。广泛的评估表明，Faith在最先进的框架上实现了$ 2.1 \ times $至$ 3.4 \ times $（$ 2.6 \ times $）的加速。

对将AI功能从云上的数据中心转移到边缘或最终设备的需求越来越大，这是由在智能手机，AR/VR设备，自动驾驶汽车和各种汽车上运行的快速实时AI的应用程序举例说明的。物联网设备。然而，由于DNN计算需求与边缘或最终设备上的计算能力之间的较大增长差距，这种转变受到了严重的阻碍。本文介绍了XGEN的设计，这是DNN的优化框架，旨在弥合差距。 XGEN将横切共同设计作为其一阶考虑。它的全栈AI面向AI的优化包括在DNN软件堆栈的各个层的许多创新优化，所有这些优化都以合作的方式设计。独特的技术使XGEN能够优化各种DNN，包括具有极高深度的DNN（例如Bert，GPT，其他变形金刚），并生成代码比现有DNN框架中的代码快几倍，同时提供相同的准确性水平。

我们呈现GSPMD，一种用于公共机器学习计算的自动，基于编译的并行化系统。它允许用户以与单个设备的方式相同的方式编写程序，然后通过关于如何分发Tensors的一些注释来提供提示，基于哪个GSPMD将并行化计算。其分区的表示简单尚不一般，允许它在各种模型上表达并行性的不同或混合范式。GSPMD基于有限的用户注释为每个运算符的分区Inventing，使得缩放现有的单设备程序方便。它解决了生产使用的几种技术挑战，允许GSPMD实现50％至62％的计算利用率，用于高达2048个云TPUv3核心，适用于高达1万亿参数的模型。

ALPA通过生成统一数据，操作员和管道并行性的执行计划来自动对大型深度学习（DL）模型的模型平行训练。现有的模型并行训练系统要求用户手动创建并行化计划，或者自动从有限的模型并行性配置中生成一个计划。它们不足以在分布式计算设备上扩展复杂的DL模型。 ALPA通过将并行性视为两个层次级别来分配大型DL模型的训练：操作员和操作员并行性。基于它，ALPA构建了一个新的分层空间，用于大规模的模型并行执行计划。 ALPA设计了许多汇编，以在每个并行性级别自动得出有效的并行执行计划。 ALPA实现了有效的运行时，以在分布式计算设备上协调两级并行执行。我们的评估表明，ALPA生成的并行化计划，即使在其设计的型号上，也可以匹配或超过手动模型并联训练系统。与专业系统不同，ALPA还推广到具有异质体系结构和模型的模型，而没有手动设计的计划。 ALPA的源代码可在https://github.com/alpa-projects/alpa上公开获得