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通过 PrivateUse1 促进新后端集成

创建日期：2023 年 10 月 3 日 | 最后更新：2024 年 5 月 7 日 | 最后验证：2024 年 11 月 5 日

在本教程中，我们将介绍通过 PrivateUse1 集成 pytorch/pytorch 仓库之外的新后端的一些必要步骤。请注意，本教程假设您已经对 PyTorch 有了基本的了解。您是 PyTorch 的高级用户。

注意

本教程仅涉及 PrivateUse1 机制中与新设备集成相关的部分，其他部分将不予介绍。同时，本教程中涉及的所有模块并非必需，您可以根据实际需求选择对您有帮助的模块。

什么是 PrivateUse1？

在 PyTorch 2.0 之前，PyTorch 为原型化树外后端扩展提供了三个保留的调度键（及其对应的自动求导键），这三个调度键如下

• PrivateUse1/AutogradPrivateUse1

• PrivateUse2/AutogradPrivateUse2

• PrivateUse3/AutogradPrivateUse3

原型验证通过后，您可以为新后端申请私有键，如 CUDA、XLA、MPS 等。

然而，随着 PyTorch 的快速发展，越来越多的硬件制造商试图将其后端集成到 PyTorch 中，这可能会导致以下问题

• 每个新的后端集成都涉及大量的文件修改

• 目前调度键的数量有硬性限制（DispatchKeySet 64 位限制）

注意

通过 PrivateUse1 键将新后端集成到 PyTorch 中也存在问题，因为它无法同时集成许多后端。幸运的是，这些树外后端很少同时使用。

鉴于上述原因，社区开始推荐通过 PrivateUse1 将新后端集成到 PyTorch 中。

然而，之前的 PrivateUse1 机制未能完全与新后端集成，因为它在某些模块中缺乏相关的支持，例如存储、AMP、分布式等。

随着 PyTorch 2.1.0 的到来，PrivateUse1 在新后端集成方面进行了一系列优化和增强，现在可以快速有效地支持新设备的集成。

如何通过 PrivateUse1 集成新后端

在本节中，我们将讨论通过 PrivateUse1 将新后端集成到 PyTorch 中的详细信息，这主要包括以下部分

1. 为新后端注册内核。

2. 为新后端注册生成器。

3. 为新后端注册设备保护。

4. 为新后端元数据注册序列化和反序列化函数。

5. 其他模块。

为新后端注册内核

新后端可能有一些高性能的算子实现，可以通过 在 C++ 中注册调度算子 中描述的 TORCH_LIBRARY_IMPL API 注册到调度器。这涉及几种情况

1. 将新后端支持的所有前向算子注册到调度器，并同时注册回退，以便当新后端不支持某些算子时，这些算子可以回退到 CPU 执行以确保功能可用性。

at::Tensor wrapper_Custom_Tensor_add(const at::Tensor & self, const at::Tensor & other, const at::Scalar & alpha) {
  // Implementation of add kernel in new backend
  ...
}

TORCH_LIBRARY_IMPL(aten, PrivateUse1, m) {
  ...
  m.impl("add.Tensor", TORCH_FN(wrapper_Custom_Tensor_add));
  ...
}

void custom_cpu_fallback(const c10::OperatorHandle& op, torch::jit::Stack* stack) {
  // Add some hints about new devices that do not support and need to fall back to cpu
  at::native::cpu_fallback(op, stack);
}

TORCH_LIBRARY_IMPL(_, PrivateUse1, m) {
  m.fallback(torch::CppFunction::makeFromBoxedFunction<&custom_cpu_fallback>());
}

2. 通过 AutogradPrivateUse1 将 torch::autograd::Function 中的内核注册到调度器，如果新后端需要覆盖 PyTorch 自动求导层，调度器和自动求导系统将自动调用这些算子的前向和后向实现。

class CumtomSeluFunction : public torch::autograd::Function<CumtomSeluFunction> {
  // Implementation of selu kernel in new backend
}

at::Tensor wrapper_AutogradCumstom__selu(const at::Tensor & self) {
  return CumtomSeluFunction::apply(self);
}

TORCH_LIBRARY_IMPL(aten, AutogradPrivateUse1, m) {
  ...
  m.impl("selu", TORCH_FN(wrapper_AutogradCustom__selu));
  ...
}

3. 通过 AutocastPrivateUse1 将希望支持 自动混合精度 (AMP) 和回退机制的内核注册到调度器，自动转换系统将在需要时自动调用这些内核。

TORCH_LIBRARY_IMPL(aten, AutocastPrivateUse1, m) {
  ...
  KERNEL_PRIVATEUSEONE(<operator>, <policy>)
  ...
}

TORCH_LIBRARY_IMPL(_, AutocastPrivateUse1, m) {
  m.fallback(torch::CppFunction::makeFallthrough());
}

需要补充的是，如果您想在新后端中支持 AMP，您需要通过 torch._register_device_module("backend_name", BackendModule) 注册一个新的 BackendModule，并且 BackendModule 需要具有以下 API

• get_amp_supported_dtype() -> List[torch.dtype]

  获取新后端在 AMP 中支持的数据类型，可能支持一个额外的数据类型 dtype。

• is_autocast_enabled() -> bool

  检查新后端是否启用 AMP。

• get_autocast_dtype() -> torch.dtype

  获取新后端在 AMP 中支持的 dtype，该 dtype 由 set_autocast_dtype 设置或为默认 dtype，默认 dtype 为 torch.float16。

• set_autocast_enabled(bool) -> None

  在新后端上启用或禁用 AMP。

• set_autocast_dtype(dtype) -> None

  设置新后端在 AMP 中支持的 dtype，且 dtype 包含在从 get_amp_supported_dtype 获取的 dtypes 中。

为新后端注册生成器

有必要支持与新设备对应的生成器。目前，PrivateUse1 可以动态注册自定义生成器，主要分为以下几个步骤。

1. 继承 GeneratorImpl 类，实现与新后端对应的生成器类，并实现各种通用方法。

2. 定义一个新的后端 builder，带有一个参数：device index。

3. 调用 REGISTER_GENERATOR_PRIVATEUSE1 宏完成动态注册。

struct CustomGeneratorImpl : public c10::GeneratorImpl {
  // Implementation of generator in new backend
}

at::Generator make_custom_generator(c10::DeviceIndex device_index) {
  return at::make_generator<CustomGeneratorImpl>(device_index);
}

REGISTER_GENERATOR_PRIVATEUSE1(make_cumstom_generator)

为新后端注册设备保护

PyTorch 通过 DeviceGuard 提供与设备、流和事件切换相关的功能。此功能也适用于 PrivateUse1 键。

1. 继承 DeviceGuardImplInterface 类，实现与新后端对应的各种通用方法。

2. 调用 C10_REGISTER_GUARD_IMPL 宏完成动态注册。

struct CustomGuardImpl final : public c10::impl::DeviceGuardImplInterface {
  // Implementation of guard in new backend
}

C10_REGISTER_GUARD_IMPL(PrivateUse1, CustomGuardImpl);

为新后端元数据注册序列化和反序列化函数

PyTorch 目前能够动态注册序列化/反序列化函数，以支持 TensorImpl.ExtraMeta 类中名为 backend_meta_ 的新后端附加元数据的序列化和反序列化。您可以参考以下步骤

1. 继承 BackendMeta 类，实现与新后端对应的 CustomBackendMetadata，可以在类中自定义新后端的各种字段。

2. 实现新后端的序列化和反序列化函数，函数签名是 void(const at::Tensor&, std::unordered_map<std::string, bool>&)。

3. 调用 TensorBackendMetaRegistry 宏完成动态注册。

struct CustomBackendMetadata : public c10::BackendMeta {
  // Implementation of backend metadata in new backend
}

void for_serialization(const at::Tensor& t, std::unordered_map<std::string, bool>& m) {
  // Implementation of serialization
}

void for_deserialization(const at::Tensor& t, std::unordered_map<std::string, bool>& m) {
  // Implementation of deserialization
}

TensorBackendMetaRegistry(c10::DeviceType::PrivateUse1, &for_serialization, &for_deserialization);

其他模块

除了上述部分，还有一些其他模块可以通过 PrivateUse1 进行扩展，例如 分布式集合通信、基准测试计时器 等，这些将在未来添加。<一个关于 PrivateUse1 集成的示例是 昇腾 NPU。

如何通过 PrivateUse1 改善用户体验

通过 PrivateUse1 集成新设备的主要目标是满足基本功能需求，接下来要做的是提高可用性，这主要涉及以下几个方面。

1. 将新后端模块注册到 PyTorch。

2. 将 PrivateUse1 重命名为新后端的自定义名称。

3. 生成与新后端相关的方法和属性。

将新后端模块注册到 PyTorch

PyTorch 中的一些 CUDA 相关接口可以通过以下形式调用：torch.cuda.xxx。因此，为了符合用户习惯，通过 PrivateUse1 机制实现的新后端也应提供类似的接口。

例如，使用 昇腾 NPU

torch._register_device_module('npu', torch_npu.npu)

完成上述操作后，用户可以通过 torch.npu.xxx 调用 昇腾 NPU 的一些独占 API

将 PrivateUse1 重命名为新后端的自定义名称

PrivateUse1 键是新后端集成到 PyTorch 的内部机制。对于用户而言，与 PrivateUse1 相比，与新后端强相关的自定义名称应该更友好。

以 昇腾 NPU 为例，第一种用法会更友好。

torch.rand((2,2),device='npu:0')
torch.rand((2,2),device='privateuse1:0')

现在，PyTorch 为自命名的 PrivateUse1 后端提供了一个新的 C++/Python API，使用起来非常简单。

Python

torch.rename_privateuse1_backend("npu")

C++

c10::register_privateuse1_backend("npu")

生成与新后端相关的方法和属性

将 PrivateUse1 重命名为自定义名称后，自动在 Tensor, nn, Storage 模块中为新后端生成与新后端名称相关的属性和方法。

这是一个关于 昇腾 NPU 的示例

torch.rename_privateuse1_backend("npu")
unsupported_dtype = [torch.quint8]
torch.utils.generate_methods_for_privateuse1_backend(for_tensor=True, for_module=True, for_storage=True, unsupported_dtype=unsupported_dtype)

然后，您可以使用以下方法和属性

torch.Tensor.npu()
torch.Tensor.is_npu
torch.Storage.npu()
torch.Storage.is_npu
...

未来工作

PrivateUse1 机制的改进仍在进行中，因此将陆续添加新模块的 PrivateUse1 集成方法。以下是我们正在积极研究的几个项目

• 添加 分布式集合通信 的集成方法。

• 添加 基准测试计时器 的集成方法。

结论

本教程引导您完成了通过 PrivateUse1 将新后端集成到 PyTorch 的过程，包括但不限于算子注册、生成器注册、设备保护注册等。同时，还介绍了一些提高用户体验的方法。