从零开始：基于CANN ops-transformer的自定义算子开发指南

CANN组织链接 ：https://atomgit.com/cann
ops-transformer仓库链接：https://atomgit.com/cann/ops-transformer

文章导读

本文将手把手指导读者如何在ops-transformer框架下从零开始开发一个自定义算子。通过一个完整的实战案例------开发FusedRMSNormRoPE算子，我们将覆盖算子开发的全流程，包括需求分析、算法设计、代码实现、测试验证和性能优化。无论你是CANN新手还是有一定经验的开发者，都能从本文获得实用的开发技巧和最佳实践。

CANN：为AI加速而生

CANN（Compute Architecture for Neural Networks）是华为昇腾异构计算架构的核心软件栈，为AI应用提供了从底层硬件到上层框架的完整支持。CANN的设计目标是充分释放昇腾AI处理器的算力，为深度学习训练和推理提供极致性能。

CANN的核心优势包括：

高度优化的算子库：包含数百个深度学习算子，针对昇腾硬件深度优化
灵活的编程模型：支持TBE、AiCore C++等多种编程方式
完善的工具链：从编译器、调试器到性能分析器一应俱全
广泛的框架支持：与TensorFlow、PyTorch、MindSpore等主流框架无缝集成
开放的生态：开发者可以自由扩展和定制算子

ops-transformer：大模型算子的专家

ops-transformer是CANN算子库中专门为Transformer架构优化的子库，聚焦于大语言模型（LLM）的关键计算模式。随着GPT、LLaMA、ChatGLM等大模型的普及，Transformer已成为AI领域的主导架构。然而，Transformer的计算特点------注意力机制的二次复杂度、大规模矩阵运算、复杂的融合模式------对算子性能提出了极高要求。

ops-transformer提供了：

attention类算子：FlashAttention、Sparse Attention、Multi-query Attention等
moe类算子：专家路由、Token分发、负载均衡等
位置编码算子：RoPE、ALiBi、相对位置编码等
融合算子：将多个操作融合为单个Kernel，减少内存访问
通信计算融合：为分布式训练优化

本文将基于ops-transformer的框架和规范，开发一个实用的融合算子，展示完整的开发流程。

一、需求分析与算子设计

1.1 背景：为什么需要FusedRMSNormRoPE？

在LLaMA等现代大模型中，常见的计算模式是：

对输入进行RMSNorm归一化
通过线性变换得到Q、K
对Q、K应用RoPE（Rotary Position Embedding）位置编码

标准实现的问题：

python 复制代码

# 标准PyTorch实现
hidden_states = rms_norm(input)              # Step 1: RMSNorm
q, k = linear_qk(hidden_states).chunk(2)     # Step 2: 线性变换
q = apply_rope(q, position_ids)              # Step 3: 应用RoPE到Q
k = apply_rope(k, position_ids)              # Step 4: 应用RoPE到K

这个流程需要4次Kernel调用，每次都要：

从HBM读取数据
执行计算
将结果写回HBM

对于序列长度N=2048、hidden_size=4096的场景，仅数据搬移就需要：

RMSNorm：读4096×2048×2字节 + 写4096×2048×2字节 = 32MB读 + 32MB写
线性变换：读32MB + 写32MB
RoPE（2次）：读32MB + 写32MB，乘以2
总计：128MB读 + 128MB写 = 256MB

融合算子的优势 ：

将这些操作融合为单个Kernel：

python 复制代码

# 融合实现
q, k = fused_rmsnorm_rope(input, weight, position_ids)

只需要：

读取input一次（32MB）
读取weight和position_ids（很小）
写入q和k（32MB）
总计：约64MB数据搬移，节省75%！

此外，融合还带来：

减少Kernel启动开销
提高指令流水线效率
更好的缓存局部性

1.2 算子功能规格

算子名称：FusedRMSNormRoPE

输入：

input: [batch_size, seq_len, hidden_size]，输入张量
weight: [hidden_size]，RMSNorm的权重
qk_weight: [hidden_size, 2*hidden_size]，Q、K的线性变换权重
position_ids: [batch_size, seq_len]，位置索引
cos_table: [max_seq_len, head_dim]，RoPE余弦查找表
sin_table: [max_seq_len, head_dim]，RoPE正弦查找表

输出：

query: [batch_size, seq_len, hidden_size]，应用RoPE后的Query
key: [batch_size, seq_len, hidden_size]，应用RoPE后的Key

参数：

epsilon: RMSNorm的稳定项，默认1e-6
num_heads: 注意力头数
head_dim: 每个头的维度

数学定义：

复制代码

1. RMSNorm:
   rms = sqrt(mean(input^2) + epsilon)
   normalized = input / rms * weight

2. Linear transformation:
   qk = normalized @ qk_weight
   q, k = split(qk, dim=-1)

3. RoPE:
   q_rotated[..., 2i:2i+2] = rotate(q[..., 2i:2i+2], cos[pos], sin[pos])
   k_rotated[..., 2i:2i+2] = rotate(k[..., 2i:2i+2], cos[pos], sin[pos])
   
   其中 rotate(x, cos, sin) = [x[0]*cos - x[1]*sin, x[0]*sin + x[1]*cos]

1.3 性能目标

基准：分离的实现（4个独立Kernel）
目标：融合实现比基准快2倍以上

测试场景：

LLaMA-7B：hidden_size=4096, num_heads=32, head_dim=128
序列长度：512, 1024, 2048, 4096
批大小：1, 2, 4, 8

二、开发环境搭建

2.1 环境准备

硬件要求：

昇腾AI处理器（如Atlas 800T A2）
或使用CANN Simulator仿真环境

软件要求：

bash 复制代码

# 1. 安装CANN工具包（版本8.0.RC1或更高）
wget https://ascend-repo.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/CANN/CANN%208.0.RC1/Ascend-cann-toolkit_8.0.RC1_linux-x86_64.run
chmod +x Ascend-cann-toolkit_8.0.RC1_linux-x86_64.run
./Ascend-cann-toolkit_8.0.RC1_linux-x86_64.run --install

# 2. 设置环境变量
source /usr/local/Ascend/ascend-toolkit/set_env.sh

# 3. 验证安装
npu-smi info  # 查看NPU设备信息

2.2 获取ops-transformer源码

bash 复制代码

# 克隆仓库
git clone https://gitcode.com/cann/ops-transformer.git
cd ops-transformer

# 安装Python依赖
pip install -r requirements.txt

# 安装开发依赖
bash install_deps.sh

2.3 创建算子工程

ops-transformer提供了experimental目录用于自定义算子开发：

bash 复制代码

cd experimental

# 创建算子目录
mkdir -p custom_ops/fused_rmsnorm_rope
cd custom_ops/fused_rmsnorm_rope

# 创建标准目录结构
mkdir -p op_host op_kernel examples docs

完整的目录结构：

复制代码

fused_rmsnorm_rope/
├── CMakeLists.txt                           # 编译配置
├── README.md                                 # 算子说明
├── docs/                                     # 文档目录
│   └── algorithm.md
├── op_host/                                  # Host侧代码
│   ├── fused_rmsnorm_rope.cpp               # 算子信息库
│   ├── fused_rmsnorm_rope_tiling.h          # Tiling头文件
│   └── fused_rmsnorm_rope_tiling.cpp        # Tiling实现
├── op_kernel/                                # Kernel侧代码
│   ├── fused_rmsnorm_rope.cpp               # Kernel入口
│   └── fused_rmsnorm_rope_impl.h            # 实现细节
└── examples/                                 # 示例和测试
    ├── test_fused_rmsnorm_rope.py           # Python测试
    └── benchmark.py                          # 性能测试

三、算子实现

3.1 算子信息库（op_host）

步骤1：定义算子接口（fused_rmsnorm_rope.cpp）

cpp 复制代码

#include "graph/operator_reg.h"
#include "register/op_impl_registry.h"

namespace ge {

// 算子注册
REG_OP(FusedRMSNormRoPE)
    // 输入定义
    .INPUT(input, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    .INPUT(weight, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    .INPUT(qk_weight, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    .INPUT(position_ids, TensorType({DT_INT32, DT_INT64}))
    .INPUT(cos_table, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    .INPUT(sin_table, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    
    // 输出定义
    .OUTPUT(query, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    .OUTPUT(key, TensorType({DT_FLOAT16, DT_BFLOAT16, DT_FLOAT}))
    
    // 属性定义
    .ATTR(epsilon, Float, 1e-6)
    .ATTR(num_heads, Int, 32)
    .ATTR(head_dim, Int, 128)
    
    .OP_END_FACTORY_REG(FusedRMSNormRoPE)

// 形状推导
IMPLEMT_INFERFUNC(FusedRMSNormRoPE, FusedRMSNormRoPEInfer) {
    // 获取输入形状
    auto input_shape = op.get_input_desc_input().GetShape();
    auto input_dtype = op.get_input_desc_input().GetDataType();
    
    // 验证输入维度
    if (input_shape.GetDimNum() != 3) {
        OP_LOGE(op.GetName().c_str(), "Input must be 3D tensor [batch, seq_len, hidden_size]");
        return GRAPH_FAILED;
    }
    
    // 提取维度
    int64_t batch_size = input_shape.GetDim(0);
    int64_t seq_len = input_shape.GetDim(1);
    int64_t hidden_size = input_shape.GetDim(2);
    
    // 验证权重形状
    auto qk_weight_shape = op.get_input_desc_qk_weight().GetShape();
    if (qk_weight_shape.GetDim(0) != hidden_size || 
        qk_weight_shape.GetDim(1) != 2 * hidden_size) {
        OP_LOGE(op.GetName().c_str(), "QK weight shape mismatch");
        return GRAPH_FAILED;
    }
    
    // 设置输出形状（与输入相同）
    ge::Shape output_shape({batch_size, seq_len, hidden_size});
    auto output_desc = ge::TensorDesc(output_shape, ge::FORMAT_ND, input_dtype);
    
    op.update_output_desc_query(output_desc);
    op.update_output_desc_key(output_desc);
    
    return GRAPH_SUCCESS;
}

INFER_FUNC_REG(FusedRMSNormRoPE, FusedRMSNormRoPEInfer);

// 数据类型推导
IMPLEMT_VERIFIER(FusedRMSNormRoPE, FusedRMSNormRoPEVerify) {
    // 验证所有浮点输入的数据类型一致
    auto input_dtype = op.GetInputDescByName("input").GetDataType();
    auto weight_dtype = op.GetInputDescByName("weight").GetDataType();
    auto qk_weight_dtype = op.GetInputDescByName("qk_weight").GetDataType();
    
    if (input_dtype != weight_dtype || input_dtype != qk_weight_dtype) {
        OP_LOGE(op.GetName().c_str(), "All float inputs must have same data type");
        return GRAPH_FAILED;
    }
    
    return GRAPH_SUCCESS;
}

VERIFY_FUNC_REG(FusedRMSNormRoPE, FusedRMSNormRoPEVerify);

}  // namespace ge

步骤2：实现Tiling策略（fused_rmsnorm_rope_tiling.h/cpp）

cpp 复制代码

// fused_rmsnorm_rope_tiling.h
#ifndef FUSED_RMSNORM_ROPE_TILING_H
#define FUSED_RMSNORM_ROPE_TILING_H

#include <cstdint>

namespace optiling {

// Tiling配置结构
struct FusedRMSNormRoPETilingConfig {
    int32_t batch_size;
    int32_t seq_len;
    int32_t hidden_size;
    int32_t num_heads;
    int32_t head_dim;
    
    // Tiling参数
    int32_t seq_tile_size;      // 序列方向的块大小
    int32_t hidden_tile_size;   // 隐藏维度的块大小
    int32_t num_seq_tiles;      // 序列方向的块数量
    int32_t num_hidden_tiles;   // 隐藏维度的块数量
    
    // 优化标志
    bool use_double_buffer;     // 是否使用双缓冲
    int32_t pipeline_depth;     // 流水线深度
    
    float epsilon;              // RMSNorm的epsilon
};

// Tiling计算函数
int32_t CalculateTiling(
    const ge::Operator& op,
    FusedRMSNormRoPETilingConfig& config
);

}  // namespace optiling

#endif  // FUSED_RMSNORM_ROPE_TILING_H

cpp 复制代码

// fused_rmsnorm_rope_tiling.cpp
#include "fused_rmsnorm_rope_tiling.h"
#include "register/op_tiling_registry.h"

namespace optiling {

constexpr int32_t LOCAL_BUFFER_SIZE = 512 * 1024;  // 512KB Local Buffer
constexpr int32_t ALIGNMENT = 32;  // 32字节对齐

// 向上对齐辅助函数
static inline int32_t AlignUp(int32_t value, int32_t alignment) {
    return (value + alignment - 1) / alignment * alignment;
}

int32_t CalculateTiling(
    const ge::Operator& op,
    FusedRMSNormRoPETilingConfig& config
) {
    // 获取输入形状
    auto input_shape = op.GetInputDescByName("input").GetShape();
    config.batch_size = input_shape.GetDim(0);
    config.seq_len = input_shape.GetDim(1);
    config.hidden_size = input_shape.GetDim(2);
    
    // 获取属性
    config.num_heads = op.GetAttr("num_heads").GetInt();
    config.head_dim = op.GetAttr("head_dim").GetInt();
    config.epsilon = op.GetAttr("epsilon").GetFloat();
    
    // 计算数据类型大小
    auto dtype = op.GetInputDescByName("input").GetDataType();
    int32_t element_size = (dtype == ge::DT_FLOAT) ? 4 : 2;  // FP32:4字节, FP16/BF16:2字节
    
    // 计算所需的buffer大小
    // 需要存储：input块、weight、qk_weight部分、临时结果、output块
    int32_t per_seq_size = config.hidden_size * element_size;
    int32_t per_hidden_size = config.seq_len * element_size;
    
    // 序列方向的Tiling
    // 目标：在Local Buffer中存放尽可能多的序列
    int32_t buffer_for_seq = LOCAL_BUFFER_SIZE / 3;  // 分配1/3给序列相关数据
    config.seq_tile_size = std::min(
        config.seq_len,
        buffer_for_seq / per_seq_size
    );
    config.seq_tile_size = AlignUp(config.seq_tile_size, 16);  // 对齐到16
    config.num_seq_tiles = (config.seq_len + config.seq_tile_size - 1) / config.seq_tile_size;
    
    // 隐藏维度的Tiling
    // 对于RMSNorm和RoPE，通常不需要在hidden维度分块
    // 但对于超大模型（如hidden_size > 8192），可能需要分块
    if (config.hidden_size * element_size * config.seq_tile_size > LOCAL_BUFFER_SIZE / 2) {
        // 需要在hidden维度分块
        int32_t buffer_for_hidden = LOCAL_BUFFER_SIZE / 2;
        config.hidden_tile_size = buffer_for_hidden / (config.seq_tile_size * element_size);
        config.hidden_tile_size = AlignUp(config.hidden_tile_size, ALIGNMENT);
        config.num_hidden_tiles = (config.hidden_size + config.hidden_tile_size - 1) / config.hidden_tile_size;
    } else {
        // 不需要在hidden维度分块
        config.hidden_tile_size = config.hidden_size;
        config.num_hidden_tiles = 1;
    }
    
    // 决定是否使用双缓冲和流水线
    if (config.num_seq_tiles >= 3) {
        config.use_double_buffer = true;
        config.pipeline_depth = 2;
    } else {
        config.use_double_buffer = false;
        config.pipeline_depth = 1;
    }
    
    return 0;  // 成功
}

// 注册Tiling函数
REGISTER_OP_TILING(FusedRMSNormRoPE, CalculateTiling);

}  // namespace optiling

3.2 Kernel实现（op_kernel）

Kernel主体（fused_rmsnorm_rope.cpp）

cpp 复制代码

#include "kernel_operator.h"
#include <type_traits>

using namespace AscendC;

// Kernel类定义
template<typename T>
class FusedRMSNormRoPEKernel {
public:
    __aicore__ inline FusedRMSNormRoPEKernel() {}
    
    __aicore__ inline void Init(
        GM_ADDR input_gm,
        GM_ADDR weight_gm,
        GM_ADDR qk_weight_gm,
        GM_ADDR position_ids_gm,
        GM_ADDR cos_table_gm,
        GM_ADDR sin_table_gm,
        GM_ADDR query_out_gm,
        GM_ADDR key_out_gm,
        const FusedRMSNormRoPETilingConfig* tiling
    ) {
        // 保存Tiling配置
        this->tiling = *tiling;
        
        // 设置Global Memory指针
        input_gm_ptr = (__gm__ T*)input_gm;
        weight_gm_ptr = (__gm__ T*)weight_gm;
        qk_weight_gm_ptr = (__gm__ T*)qk_weight_gm;
        position_ids_gm_ptr = (__gm__ int32_t*)position_ids_gm;
        cos_table_gm_ptr = (__gm__ T*)cos_table_gm;
        sin_table_gm_ptr = (__gm__ T*)sin_table_gm;
        query_out_gm_ptr = (__gm__ T*)query_out_gm;
        key_out_gm_ptr = (__gm__ T*)key_out_gm;
        
        // 分配Local Buffer
        AllocateBuffers();
        
        // 预加载权重（权重在整个计算过程中不变）
        LoadWeights();
    }
    
    __aicore__ inline void Process() {
        // 遍历batch
        for (int b = 0; b < tiling.batch_size; ++b) {
            // 遍历序列块
            for (int seq_tile_idx = 0; seq_tile_idx < tiling.num_seq_tiles; ++seq_tile_idx) {
                ProcessSeqTile(b, seq_tile_idx);
            }
        }
    }
    
private:
    __aicore__ inline void AllocateBuffers() {
        int32_t seq_tile_size = tiling.seq_tile_size;
        int32_t hidden_size = tiling.hidden_size;
        
        // 输入输出buffer
        pipe.InitBuffer(input_local, seq_tile_size, hidden_size);
        pipe.InitBuffer(normalized_local, seq_tile_size, hidden_size);
        pipe.InitBuffer(qk_local, seq_tile_size, 2 * hidden_size);
        pipe.InitBuffer(query_local, seq_tile_size, hidden_size);
        pipe.InitBuffer(key_local, seq_tile_size, hidden_size);
        
        // 权重buffer
        pipe.InitBuffer(weight_local, hidden_size);
        pipe.InitBuffer(qk_weight_local, hidden_size, 2 * hidden_size);
        
        // 临时buffer
        pipe.InitBuffer(rms_local, seq_tile_size);  // 存储RMS值
        pipe.InitBuffer(position_local, seq_tile_size);  // 位置索引
    }
    
    __aicore__ inline void LoadWeights() {
        // 加载RMSNorm权重
        DataCopy(weight_local, weight_gm_ptr, tiling.hidden_size);
        
        // 加载QK线性变换权重
        DataCopy(qk_weight_local, qk_weight_gm_ptr, 
                 tiling.hidden_size * 2 * tiling.hidden_size);
    }
    
    __aicore__ inline void ProcessSeqTile(int batch_idx, int seq_tile_idx) {
        int32_t seq_start = seq_tile_idx * tiling.seq_tile_size;
        int32_t seq_end = std::min(seq_start + tiling.seq_tile_size, tiling.seq_len);
        int32_t actual_seq_len = seq_end - seq_start;
        
        // 1. 加载输入数据
        int64_t input_offset = batch_idx * tiling.seq_len * tiling.hidden_size + 
                               seq_start * tiling.hidden_size;
        DataCopy(input_local, input_gm_ptr + input_offset, 
                 actual_seq_len * tiling.hidden_size);
        
        // 2. 执行RMSNorm
        ComputeRMSNorm(actual_seq_len);
        
        // 3. 线性变换得到Q和K
        ComputeLinearQK(actual_seq_len);
        
        // 4. 加载位置索引
        int64_t pos_offset = batch_idx * tiling.seq_len + seq_start;
        DataCopy(position_local, position_ids_gm_ptr + pos_offset, actual_seq_len);
        
        // 5. 应用RoPE
        ApplyRoPE(actual_seq_len, batch_idx, seq_start);
        
        // 6. 存储输出
        int64_t output_offset = batch_idx * tiling.seq_len * tiling.hidden_size + 
                                seq_start * tiling.hidden_size;
        DataCopy(query_out_gm_ptr + output_offset, query_local, 
                 actual_seq_len * tiling.hidden_size);
        DataCopy(key_out_gm_ptr + output_offset, key_local, 
                 actual_seq_len * tiling.hidden_size);
    }
    
    __aicore__ inline void ComputeRMSNorm(int32_t seq_len) {
        // 对每个token计算RMS
        for (int i = 0; i < seq_len; ++i) {
            // 计算平方和
            LocalTensor<T> input_row = input_local[i];
            float sum_squares = 0.0f;
            
            // 向量化求平方和
            LocalTensor<float> squares;
            Mul(squares, input_row, input_row);  // x^2
            sum_squares = ReduceSum(squares, tiling.hidden_size);
            
            // 计算RMS
            float mean_squares = sum_squares / tiling.hidden_size;
            float rms = std::sqrt(mean_squares + tiling.epsilon);
            rms_local[i] = rms;
            
            // 归一化并乘以权重
            float inv_rms = 1.0f / rms;
            for (int j = 0; j < tiling.hidden_size; ++j) {
                float normalized_val = static_cast<float>(input_row[j]) * inv_rms;
                float weighted_val = normalized_val * static_cast<float>(weight_local[j]);
                normalized_local[i][j] = static_cast<T>(weighted_val);
            }
        }
    }
    
    __aicore__ inline void ComputeLinearQK(int32_t seq_len) {
        // 矩阵乘法：[seq_len, hidden_size] @ [hidden_size, 2*hidden_size]
        // 结果：[seq_len, 2*hidden_size]
        
        MatMul(qk_local, normalized_local, qk_weight_local);
        
        // 分离Q和K
        for (int i = 0; i < seq_len; ++i) {
            // 前half是Query，后half是Key
            DataCopy(query_local[i], qk_local[i], tiling.hidden_size);
            DataCopy(key_local[i], qk_local[i] + tiling.hidden_size, tiling.hidden_size);
        }
    }
    
    __aicore__ inline void ApplyRoPE(int32_t seq_len, int batch_idx, int seq_start) {
        int32_t num_heads = tiling.num_heads;
        int32_t head_dim = tiling.head_dim;
        
        // 对每个token
        for (int i = 0; i < seq_len; ++i) {
            int32_t position = position_local[i];
            
            // 对每个head
            for (int h = 0; h < num_heads; ++h) {
                int32_t head_offset = h * head_dim;
                
                // 对head_dim中的每一对元素应用旋转
                for (int d = 0; d < head_dim; d += 2) {
                    int32_t idx = head_offset + d;
                    
                    // 从查找表获取cos和sin
                    T cos_val = cos_table_gm_ptr[position * head_dim + d];
                    T sin_val = sin_table_gm_ptr[position * head_dim + d];
                    
                    // 应用旋转矩阵到Query
                    T q0 = query_local[i][idx];
                    T q1 = query_local[i][idx + 1];
                    query_local[i][idx] = q0 * cos_val - q1 * sin_val;
                    query_local[i][idx + 1] = q0 * sin_val + q1 * cos_val;
                    
                    // 应用旋转矩阵到Key
                    T k0 = key_local[i][idx];
                    T k1 = key_local[i][idx + 1];
                    key_local[i][idx] = k0 * cos_val - k1 * sin_val;
                    key_local[i][idx + 1] = k0 * sin_val + k1 * cos_val;
                }
            }
        }
    }
    
    // 成员变量
    FusedRMSNormRoPETilingConfig tiling;
    
    // Global Memory指针
    __gm__ T* input_gm_ptr;
    __gm__ T* weight_gm_ptr;
    __gm__ T* qk_weight_gm_ptr;
    __gm__ int32_t* position_ids_gm_ptr;
    __gm__ T* cos_table_gm_ptr;
    __gm__ T* sin_table_gm_ptr;
    __gm__ T* query_out_gm_ptr;
    __gm__ T* key_out_gm_ptr;
    
    // Local Tensors
    LocalTensor<T> input_local, normalized_local, qk_local;
    LocalTensor<T> query_local, key_local;
    LocalTensor<T> weight_local, qk_weight_local;
    LocalTensor<float> rms_local;
    LocalTensor<int32_t> position_local;
    
    TPipe pipe;
};

// Kernel入口函数
extern "C" __global__ __aicore__ void fused_rmsnorm_rope_main(
    GM_ADDR input,
    GM_ADDR weight,
    GM_ADDR qk_weight,
    GM_ADDR position_ids,
    GM_ADDR cos_table,
    GM_ADDR sin_table,
    GM_ADDR query_out,
    GM_ADDR key_out,
    GM_ADDR tiling_gm
) {
    // 加载Tiling配置
    FusedRMSNormRoPETilingConfig tiling;
    auto tiling_ptr = (__gm__ FusedRMSNormRoPETilingConfig*)tiling_gm;
    tiling = *tiling_ptr;
    
    // 根据数据类型实例化Kernel
    if (tiling.dtype == DT_FLOAT16) {
        FusedRMSNormRoPEKernel<half> kernel;
        kernel.Init(input, weight, qk_weight, position_ids, cos_table, sin_table,
                    query_out, key_out, &tiling);
        kernel.Process();
    } else if (tiling.dtype == DT_FLOAT) {
        FusedRMSNormRoPEKernel<float> kernel;
        kernel.Init(input, weight, qk_weight, position_ids, cos_table, sin_table,
                    query_out, key_out, &tiling);
        kernel.Process();
    }
}

3.3 CMakeLists.txt配置

cmake 复制代码

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)
project(fused_rmsnorm_rope)

# 设置算子名称
set(OP_NAME fused_rmsnorm_rope)

# 设置源文件
set(OP_HOST_SRCS
    op_host/fused_rmsnorm_rope.cpp
    op_host/fused_rmsnorm_rope_tiling.cpp
)

set(OP_KERNEL_SRCS
    op_kernel/fused_rmsnorm_rope.cpp
)

# 编译选项
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -O3 -Wall")

# 包含common头文件
include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/common/include)

# 注册算子
ascend_add_operator(${OP_NAME}
    HOST_SRCS ${OP_HOST_SRCS}
    KERNEL_SRCS ${OP_KERNEL_SRCS}
)

# 链接依赖
target_link_libraries(${OP_NAME}
    ops_transformer_common
    ${ASCEND_RUNTIME_LIBS}
)

# 安装目标
install(TARGETS ${OP_NAME}
    LIBRARY DESTINATION lib
    ARCHIVE DESTINATION lib
)

# 安装头文件
install(FILES
    op_host/fused_rmsnorm_rope_tiling.h
    DESTINATION include
)

四、测试与验证

4.1 功能正确性测试

python 复制代码

# examples/test_fused_rmsnorm_rope.py
import torch
import torch_npu
import numpy as np
import math

def rms_norm(x, weight, epsilon=1e-6):
    """标准RMSNorm实现"""
    variance = x.pow(2).mean(-1, keepdim=True)
    x = x * torch.rsqrt(variance + epsilon)
    return x * weight

def apply_rope(x, cos, sin, position_ids):
    """标准RoPE实现"""
    batch_size, seq_len, num_heads, head_dim = x.shape
    x = x.reshape(batch_size, seq_len, num_heads, head_dim // 2, 2)
    
    # 获取cos和sin
    cos_pos = cos[position_ids].unsqueeze(2).unsqueeze(-1)  # [batch, seq, 1, head_dim//2, 1]
    sin_pos = sin[position_ids].unsqueeze(2).unsqueeze(-1)
    
    # 应用旋转
    x0, x1 = x[..., 0], x[..., 1]
    x_rotated = torch.stack([
        x0 * cos_pos - x1 * sin_pos,
        x0 * sin_pos + x1 * cos_pos
    ], dim=-1)
    
    return x_rotated.reshape(batch_size, seq_len, num_heads * head_dim)

def test_correctness():
    print("=" * 60)
    print("Testing FusedRMSNormRoPE Correctness")
    print("=" * 60)
    
    # 测试配置
    batch_size = 2
    seq_len = 128
    hidden_size = 512
    num_heads = 8
    head_dim = hidden_size // num_heads
    epsilon = 1e-6
    
    # 生成随机输入
    torch.manual_seed(42)
    input_tensor = torch.randn(batch_size, seq_len, hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
    weight = torch.randn(hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
    qk_weight = torch.randn(hidden_size, 2 * hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
    position_ids = torch.arange(seq_len, dtype=torch.int32).unsqueeze(0).repeat(batch_size, 1).npu()
    
    # 生成RoPE查找表
    max_seq_len = 2048
    inv_freq = 1.0 / (10000 ** (torch.arange(0, head_dim, 2, dtype=torch.float32) / head_dim))
    t = torch.arange(max_seq_len, dtype=torch.float32)
    freqs = torch.outer(t, inv_freq)
    cos_table = torch.cos(freqs).half().npu()
    sin_table = torch.sin(freqs).half().npu()
    
    # 调用融合算子
    query_fused, key_fused = torch_npu.npu_fused_rmsnorm_rope(
        input_tensor, weight, qk_weight, position_ids,
        cos_table, sin_table,
        epsilon=epsilon,
        num_heads=num_heads,
        head_dim=head_dim
    )
    
    # 标准实现
    # 1. RMSNorm
    normalized = rms_norm(input_tensor, weight, epsilon)
    
    # 2. 线性变换
    qk = torch.matmul(normalized, qk_weight)
    query_ref = qk[..., :hidden_size]
    key_ref = qk[..., hidden_size:]
    
    # 3. Reshape for RoPE
    query_ref = query_ref.view(batch_size, seq_len, num_heads, head_dim)
    key_ref = key_ref.view(batch_size, seq_len, num_heads, head_dim)
    
    # 4. 应用RoPE
    query_ref = apply_rope(query_ref, cos_table, sin_table, position_ids)
    key_ref = apply_rope(key_ref, cos_table, sin_table, position_ids)
    
    # 比较结果
    query_diff = torch.abs(query_fused - query_ref).max().item()
    key_diff = torch.abs(key_fused - key_ref).max().item()
    
    query_rel_error = query_diff / torch.abs(query_ref).max().item()
    key_rel_error = key_diff / torch.abs(key_ref).max().item()
    
    print(f"\nQuery:")
    print(f"  Max absolute difference: {query_diff:.6f}")
    print(f"  Relative error: {query_rel_error:.6f}")
    
    print(f"\nKey:")
    print(f"  Max absolute difference: {key_diff:.6f}")
    print(f"  Relative error: {key_rel_error:.6f}")
    
    # FP16精度下，相对误差应小于1e-3
    threshold = 1e-3
    if query_rel_error < threshold and key_rel_error < threshold:
        print(f"\n✓ Correctness test PASSED (threshold: {threshold})")
        return True
    else:
        print(f"\n✗ Correctness test FAILED (threshold: {threshold})")
        return False

if __name__ == "__main__":
    test_correctness()

4.2 性能基准测试

python 复制代码

# examples/benchmark.py
import torch
import torch_npu
import time
import pandas as pd

def benchmark():
    print("=" * 80)
    print("FusedRMSNormRoPE Performance Benchmark")
    print("=" * 80)
    
    # 测试配置
    configs = [
        # (batch, seq_len, hidden_size, num_heads)
        (1, 512, 4096, 32),
        (1, 1024, 4096, 32),
        (1, 2048, 4096, 32),
        (2, 1024, 4096, 32),
        (4, 512, 4096, 32),
        (1, 2048, 8192, 64),  # 大模型配置
    ]
    
    num_warmup = 20
    num_iterations = 100
    
    results = []
    
    for batch, seq_len, hidden_size, num_heads in configs:
        head_dim = hidden_size // num_heads
        
        # 准备输入
        input_tensor = torch.randn(batch, seq_len, hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
        weight = torch.randn(hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
        qk_weight = torch.randn(hidden_size, 2 * hidden_size, dtype=torch.float16).npu()
        position_ids = torch.arange(seq_len, dtype=torch.int32).unsqueeze(0).repeat(batch, 1).npu()
        
        # RoPE表
        max_seq_len = 8192
        inv_freq = 1.0 / (10000 ** (torch.arange(0, head_dim, 2, dtype=torch.float32) / head_dim))
        t = torch.arange(max_seq_len, dtype=torch.float32)
        freqs = torch.outer(t, inv_freq)
        cos_table = torch.cos(freqs).half().npu()
        sin_table = torch.sin(freqs).half().npu()
        
        # 预热
        for _ in range(num_warmup):
            _ = torch_npu.npu_fused_rmsnorm_rope(
                input_tensor, weight, qk_weight, position_ids,
                cos_table, sin_table,
                num_heads=num_heads, head_dim=head_dim
            )
        torch.npu.synchronize()
        
        # 测试融合算子
        start = time.time()
        for _ in range(num_iterations):
            query, key = torch_npu.npu_fused_rmsnorm_rope(
                input_tensor, weight, qk_weight, position_ids,
                cos_table, sin_table,
                num_heads=num_heads, head_dim=head_dim
            )
        torch.npu.synchronize()
        fused_time = (time.time() - start) / num_iterations * 1000
        
        # 测试分离实现
        start = time.time()
        for _ in range(num_iterations):
            # RMSNorm
            variance = input_tensor.pow(2).mean(-1, keepdim=True)
            normalized = input_tensor * torch.rsqrt(variance + 1e-6) * weight
            
            # Linear
            qk = torch.matmul(normalized, qk_weight)
            q = qk[..., :hidden_size]
            k = qk[..., hidden_size:]
            
            # RoPE (simplified)
            query = q  # 实际应用RoPE会更慢
            key = k
        torch.npu.synchronize()
        separate_time = (time.time() - start) / num_iterations * 1000
        
        speedup = separate_time / fused_time
        
        results.append({
            'Batch': batch,
            'SeqLen': seq_len,
            'HiddenSize': hidden_size,
            'NumHeads': num_heads,
            'Fused (ms)': f"{fused_time:.3f}",
            'Separate (ms)': f"{separate_time:.3f}",
            'Speedup': f"{speedup:.2f}x"
        })
        
        print(f"B{batch}_S{seq_len}_H{hidden_size}_N{num_heads}: "
              f"Fused={fused_time:.3f}ms, Separate={separate_time:.3f}ms, "
              f"Speedup={speedup:.2f}x")
    
    # 打印结果表格
    df = pd.DataFrame(results)
    print("\n" + "=" * 80)
    print("Summary:")
    print("=" * 80)
    print(df.to_string(index=False))
    print("=" * 80)

if __name__ == "__main__":
    benchmark()

五、编译与部署

5.1 编译算子

bash 复制代码

# 返回ops-transformer根目录
cd /path/to/ops-transformer

# 配置编译
mkdir -p build && cd build
cmake .. \
    -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
    -DENABLE_CUSTOM_OPS=ON \
    -DCUSTOM_OPS_DIR=../experimental/custom_ops

# 编译
make fused_rmsnorm_rope -j$(nproc)

# 安装
make install

5.2 运行测试

bash 复制代码

# 设置环境变量
source /usr/local/Ascend/ascend-toolkit/set_env.sh
export LD_LIBRARY_PATH=/path/to/ops-transformer/build/lib:$LD_LIBRARY_PATH

# 运行正确性测试
python experimental/custom_ops/fused_rmsnorm_rope/examples/test_fused_rmsnorm_rope.py

# 运行性能测试
python experimental/custom_ops/fused_rmsnorm_rope/examples/benchmark.py

5.3 集成到模型

python 复制代码

# 在LLaMA模型中使用
class LlamaAttention(nn.Module):
    def __init__(self, config):
        super().__init__()
        self.config = config
        self.hidden_size = config.hidden_size
        self.num_heads = config.num_attention_heads
        self.head_dim = self.hidden_size // self.num_heads
        
        self.rms_norm = nn.RMSNorm(config.hidden_size, eps=config.rms_norm_eps)
        self.qk_proj = nn.Linear(config.hidden_size, 2 * config.hidden_size, bias=False)
        self.v_proj = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size, bias=False)
        
        # 预计算RoPE表
        self.register_buffer("cos_table", self._compute_cos_table())
        self.register_buffer("sin_table", self._compute_sin_table())
    
    def forward(self, hidden_states, position_ids):
        # 使用融合算子
        query, key = torch_npu.npu_fused_rmsnorm_rope(
            hidden_states,
            self.rms_norm.weight,
            self.qk_proj.weight.t(),
            position_ids,
            self.cos_table,
            self.sin_table,
            epsilon=self.config.rms_norm_eps,
            num_heads=self.num_heads,
            head_dim=self.head_dim
        )
        
        # Value仍使用标准路径
        value = self.v_proj(self.rms_norm(hidden_states))
        
        # 后续attention计算...
        return attention_output

六、调试与优化技巧

6.1 使用DumpTensor调试

cpp 复制代码

// 在Kernel中插入dump代码
__aicore__ inline void ComputeRMSNorm(int32_t seq_len) {
    // ... 计算代码 ...
    
    // Dump中间结果
    #ifdef DEBUG_MODE
    DumpTensor("normalized_output", normalized_local, seq_len * tiling.hidden_size);
    #endif
}

6.2 性能分析

bash 复制代码

# 使用msProf分析
msprof --application="python test.py" \
       --output=/tmp/profiling \
       --ai-core=on \
       --aicpu=on

# 查看报告
msprof --export=timeline --output=/tmp/profiling

6.3 常见优化技巧

内存对齐：确保数据按32字节对齐
向量化：使用向量指令替代标量循环
流水线：使用双缓冲重叠计算和IO
减少Bank冲突：调整数据布局
循环展开：减少循环控制开销

七、总结

通过本文的实战演练，我们完整地走过了自定义算子开发的全流程：

需求分析：识别融合机会，量化性能收益
接口设计：定义清晰的算子接口和参数
Tiling策略：根据硬件特性设计数据分块
Kernel实现：编写高效的计算逻辑
测试验证：确保功能正确性和性能达标
集成应用：无缝集成到实际模型中

FusedRMSNormRoPE算子展示了ops-transformer框架的强大能力和灵活性。开发者可以基于相同的方法论，开发各种自定义算子，为AI应用提供极致性能。

关键要点：

融合算子可以显著减少内存访问，提升性能
Tiling策略是性能优化的核心
完善的测试是算子质量的保证
ops-transformer提供了完整的开发框架和工具支持

欢迎更多开发者加入CANN生态，贡献优秀算子！

相关资源：

ops-transformer仓库：https://gitcode.com/cann/ops-transformer
CANN文档中心：https://hiascend.com/document
QuickStart指南：QUICKSTART.md
算子开发指南：docs/zh/develop/aicore_develop_guide.md
社区论坛：https://gitcode.com/cann/ops-transformer/discussions