
jax是一个用于高性能数值计算的python库,它通过jit编译和自动微分等特性,为机器学习和科学计算提供了强大支持。为了进一步提升大规模计算的效率,jax引入了分片(sharding)机制。分片允许用户将大型数组分布到多个计算设备(如cpu核心、gpu或tpu)上,从而实现并行计算。jax的分片api(如jax.sharding模块)使得定义数据在设备网格上的布局变得直观。
当一个数组被分片后,对其执行的操作将自动在各个设备上并行进行。JAX运行时负责协调设备间的数据传输和计算。然而,分片的性能优势并非总是立竿见影,尤其是在涉及跨设备数据依赖的操作中,通信开销可能抵消并行计算带来的好处。
离散差分是数值分析中的基本操作,常用于估计函数的导数或分析序列的变化。在JAX中,jnp.diff函数提供了便捷的离散差分计算功能。例如,jnp.diff(x, n=1, axis=0)会沿着数组的第一个轴计算一阶差分,即output[i] = x[i+1] - x[i]。为了处理边界条件,jnp.diff还支持prepend和append参数,允许在计算前在数组的指定轴上添加值。
考虑一个二维数组x,计算其沿着第一个轴(行)的一阶离散差分: output[i, j] = x[i+1, j] - x[i, j]
这个操作的关键在于,计算output[i, j]需要x中相邻行的数据。当数组被分片时,如果相邻行位于不同的设备上,就需要进行设备间通信。
为了探究JAX分片对离散差分计算的性能影响,我们设计了一个实验,使用JAX的自动并行机制在多核CPU上进行测试。实验环境配置为8个CPU核心作为独立的JAX设备。
首先,我们设置XLA_FLAGS以强制JAX使用多个主机平台设备(CPU核心):
import os
os.environ["XLA_FLAGS"] = (
f'--xla_force_host_platform_device_count=8'
)
import jax as jx
import jax.numpy as jnp
import jax.experimental.mesh_utils as jxm
import jax.sharding as jsh
import timeit # For performance measurement定义离散差分的核心函数,并在第一个轴上计算一阶差分,使用零填充作为前置值:
def calc_fd_kernel(x):
# Calculate 1st-order fd along the first axis
# prepend with zeros to match output shape, maintaining original shape logic
return jnp.diff(
x, 1, axis=0, prepend=jnp.zeros((1, *x.shape[1:]), dtype=x.dtype)
)为了利用JAX的JIT编译和分片功能,我们创建了一个工厂函数,用于编译带有指定输入和输出分片策略的差分核函数。这里使用了AOT(Ahead-Of-Time)编译,确保在执行前完成编译。
def make_fd(shape, shardings):
# Compiled fd kernel factory
return jx.jit(
calc_fd_kernel,
in_shardings=shardings,
out_shardings=shardings,
).lower(
jx.ShapeDtypeStruct(shape, jnp.dtype('f8')) # Define input shape and dtype for AOT compilation
).compile()接着,我们创建一个2D大型数组作为测试数据,并定义了三种不同的分片策略:
# Create 2D array to partition
n = 2**12 # e.g., 4096
shape = (n, n,)
x = jx.random.normal(jx.random.PRNGKey(0), shape, dtype='f8')
# Define device mesh and sharding strategies
# Use all available CPU devices
devices = jx.devices("cpu")
if len(devices) < 8:
print(f"Warning: Only {len(devices)} CPU devices available. Some sharding configurations might not be fully utilized.")
# Adjust for available devices if less than 8
num_devices_to_use = min(8, len(devices))
else:
num_devices_to_use = 8
shardings_test = {
(1, 1) : jsh.PositionalSharding(jxm.create_device_mesh((1,), devices=devices[:1])).reshape(1, 1),
(num_devices_to_use, 1) : jsh.PositionalSharding(jxm.create_device_mesh((num_devices_to_use,), devices=devices[:num_devices_to_use])).reshape(num_devices_to_use, 1),
(1, num_devices_to_use) : jsh.PositionalSharding(jxm.create_device_mesh((num_devices_to_use,), devices=devices[:num_devices_to_use])).reshape(1, num_devices_to_use),
}
# Place arrays onto devices according to sharding
x_test = {
mesh_config : jx.device_put(x, shardings)
for mesh_config, shardings in shardings_test.items()
}
# Compile the fd kernel for each sharding strategy
calc_fd_test = {
mesh_config : make_fd(shape, shardings)
for mesh_config, shardings in shardings_test.items()
}
# Measure execution time for each configuration
print("Measuring performance for different sharding strategies:")
for mesh_config, x_sharded in x_test.items():
calc_fd_compiled = calc_fd_test[mesh_config]
print(f"\nConfiguration: {mesh_config}")
# Use a lambda to ensure the function is called with the specific sharded array
# and block_until_ready() to wait for all computations to complete
stmt = f"calc_fd_compiled(x_sharded).block_until_ready()"
# Use globals for timeit to access calc_fd_compiled and x_sharded
globals_dict = {"calc_fd_compiled": calc_fd_compiled, "x_sharded": x_sharded}
# timeit.repeat to get multiple runs for better statistics
times = timeit.repeat(stmt, globals=globals_dict, number=1, repeat=7)
print(f"{min(times)*1000:.3f} ms ± {jnp.std(jnp.array(times))*1000:.3f} ms per loop (min ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)")
运行上述代码,我们可以观察到类似以下的结果(具体数值可能因硬件和JAX版本而异):
Configuration: (1, 1) 48.9 ms ± 414 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each) Configuration: (8, 1) 977 ms ± 34.5 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each) Configuration: (1, 8) 48.3 ms ± 1.03 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
结果分析:
从上述实验结果可以看出,JAX分片并非万能的性能银弹。正确理解操作的数据依赖性和分片策略至关重要。
理解数据依赖性:
选择合适的分片轴:
评估计算与通信比:
考虑设备类型和数量:
JAX XLA编译器的优化:
JAX的分片机制为大规模并行计算提供了强大的工具,但其有效性高度依赖于数据访问模式和分片策略。在对JAX分片数组执行离散差分计算的案例中,我们发现沿操作轴进行分片会导致显著的通信开销,从而降低性能;而沿非操作轴分片则能避免通信问题,但对于简单操作可能无法带来显著加速。
成功的JAX并行编程需要深入理解底层硬件架构、JAX的分片原理以及算法的数据依赖性。在实际应用中,开发者应仔细设计分片策略,并通过实验验证其性能表现,以确保最大限度地发挥JAX的并行计算能力。
以上就是JAX分片数组上的离散差分计算:性能考量与优化策略的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
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