# 自定义算子（基于Custom表达） [![查看源文件](https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/website-images/r2.2/resource/_static/logo_source.svg)](https://gitee.com/mindspore/docs/blob/r2.2/tutorials/experts/source_zh_cn/operation/op_custom.md) ## 概述 当开发网络遇到内置算子不足以满足需求时，你可以利用MindSpore的Python API中的[Custom](https://www.mindspore.cn/docs/zh-CN/r2.2/api_python/ops/mindspore.ops.Custom.html#mindspore-ops-custom)原语方便快捷地进行不同类型自定义算子的定义和使用。 传统的添加一个自定义算子的方式，需要完成算子原语注册、算子实现、算子信息注册三部分工作。 其中： - 算子原语：定义了算子在网络中的前端接口原型，也是组成网络模型的基础单元，主要包括算子的名称、属性（可选）、输入输出名称、输出shape推理方法、输出数据类型推理方法等信息。 - 算子实现：在Python侧定义函数（Ascend自定义算子）或C++侧定义类（GPU和CPU自定义算子），描述算子内部计算逻辑的实现。 - 算子信息：描述自定义算子的基本信息，如算子名称、支持的输入输出数据类型、支持的输入输出数据格式和属性等。它是后端做算子选择和映射时的依据。 相比于传统自定义算子方式，基于`Custom`原语自定义算子具有如下优势： - 不同的自定义算子对应的算子原语都是`Custom`原语，无需对每个自定义算子定义一个相应的算子原语。上述提到的三部分工作可以在网络脚本中以统一的接口进行实现，并作为网络表达的一部分，不需要对MindSpore框架进行侵入式修改和重新编译。 - 实现了不同方式自定义算子的接口和使用统一，方便网络开发者根据需要灵活选用不同的自定义方式。 - 新增支持hybrid等自定义算子方式，并且可以跨平台使用。 基于[Custom](https://www.mindspore.cn/docs/zh-CN/r2.2/api_python/ops/mindspore.ops.Custom.html#mindspore-ops-custom)原语的自定义算子支持的算子开发方式包括：hybrid、tbe、aicpu、aot、pyfunc、julia、akg。 不同的算子开发方式差异如下： | 算子开发方式 | 开发语言 | 编译方式 | 支持平台 | 推荐场景 | |:-------|:------------------|:------ |:------ |:------------------------| | [pyfunc](#自定义算子入门一个例子) | Python | N/A | `CPU` | 快速算法验证、需要与Python进行交互等场景 | | [hybrid](#hybrid类型的自定义算子开发) | MindSpore HYBRID DSL | JIT | `Ascend` `GPU` `CPU` | 全平台通用开发和快速验证 | | [tbe](#tbe类型的自定义算子开发) | TBE DSL | JIT | `Ascend` | Ascend AICORE自定义算子场景 | | [akg](#akg类型的自定义算子开发) | MindSpore AKG DSL | JIT | `Ascend` `GPU` | 用于开发验证场景，不建议普通用户使用 | | [aicpu](#aicpu类型的自定义算子开发) | C/C++ | AOT | `Ascend` | Ascend AICPU自定义算子场景 | | [aot](#aot类型的自定义算子开发) | C/C++/CUDA | AOT | `GPU` `CPU` | 高性能手写、对接调用第三方算子库场景 | | [julia](#julia类型的自定义算子开发) | Julia | N/A | `CPU` | 科学计算场景、需要使用Julia编程等场景 | > - DSL全称是Domain Specific Language。 > - AOT（Ahead Of Time）编译方式指的是，算子实现函数需提前被编译为动态链接库，然后在网络运行时由框架自动调用；JIT（Just In Time）编译方式则不需要提前编译算子实现函数，而是在网络编译或运行期间被框架直接编译。 > - 为了区别自定义算子的类型和编译方式，下面的文中用aot指代自定义算子的类型，用AOT指代自定义算子的编译方式。 不同平台的不同场景下的推荐开发方式如下： - Ascend: hybrid（通用场景），aicpu（不规则运算的高性能实现）； - GPU: hybrid（通用场景），aot（基于CUDA的高性能实现）； - CPU: hybrid（通用场景），aot（基于C++的高性能实现）。 不同的开发方式使用不同的开发语言实现算子计算逻辑，但是自定义算子的开发流程是一致的，包括算子实现、算子输出shape和数据类型推理和算子信息注册（可选）。网络开发者可以根据需要选用不同的自定义算子开发方式。下面分别介绍这几种自定义算子开发方式，每种开发方式均提供示例。 > 更多示例可参考MindSpore源码中[tests/st/ops/graph_kernel/custom](https://gitee.com/mindspore/mindspore/tree/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom)下的用例。 ## 自定义算子入门：一个例子 为了帮助用户快速入门自定义算子，这里以pyfunc类型自定义算子为例帮助用户理解自定义算子的定义流程。下面基于pyfunc模式定义一个实现sin计算的自定义算子。pyfunc类型的自定义算子使用原生Python语法定义算子实现函数，描述算子内部计算逻辑的实现。网络运行时框架会自动调用此函数。为了表达自定义算子的计算，我们写一个基于numpy的计算正弦函数的Python原生函数。 ```python import numpy as np def sin_by_numpy(x): return np.sin(x) ``` 然后我们要定义两个函数，一个是张量形状的推导函数（infer_shape），另一个是张量数据类型的推导函数（infer_dtype）。这里要注意： - 张量形状的推导函数是输入张量的形状； - 张量数据类型的推导函数是输入张量的数据类型。 ```python def infer_shape(x): # 1. 这里的输入x是算子输入张量的形状 # 2. sin函数是逐元素计算，输入的形状和输出的一样 return x def infer_dtype(x): # 1. 这里的输入x是算子输入张量的数据类型 # 2. sin函数输入的数据类型和输出的一样 return x ``` 下面我们用上面的函数自定义一个算子，其输入包括 - func：自定义算子的函数表达，这里我们用`sin_by_numpy`函数； - out_shape: 输出形状的推导函数，这里我们用`infer_shape`函数； - out_dtype: 输出数据类型的推导函数，这里我们用`infer_dtype`函数； - func_type: 自定义算子类型，这里我们用`"pyfunc"`。 ```python from mindspore import ops sin_by_numpy_op = ops.Custom(func = sin_by_numpy, # 这里填入自定义算子的函数表达 out_shape = infer_shape, # 这里填入输出形状的推导函数 out_dtype = infer_dtype, # 这里填入输出数据类型的推导函数 func_type = "pyfunc" # 这里填入自定义算子类型 ) ``` 加上其他环境依赖依赖和算子调用语句，我们获得完整的自定义算子用例如下。 ```python import numpy as np import mindspore as ms from mindspore import ops ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE, device_target="CPU") def sin_by_numpy(x): return np.sin(x) def infer_shape(x): return x def infer_dtype(x): return x sin_by_numpy_op = ops.Custom(func = sin_by_numpy, out_shape = infer_shape, out_dtype = infer_dtype, func_type = "pyfunc" ) input_tensor = ms.Tensor([0,1, 0.2, 0.3, 0.4], dtype=ms.float32) result_cus = sin_by_numpy_op(input_tensor) print(result_cus) ``` 我们可以得到结果为，即上面输入对应的sin值。 ```text [0. 0.84147096 0.19866933 0.29552022 0.38941833] ``` 如此我们完成一个pyfunc类型自定义算子的定义。对于更多完整的pyfunc类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_custom_pyfunc.py)。 ## 采用JIT编译的自定义算子 JIT（Just In Time）指算子在网络编译或运行期间被框架直接编译。用户可以直接用Python脚本在网络脚本中直接定义此种类型的自定义算子，然后根据算子和后端类型调用对应算子编译器自动编译。此种类型的自定义算子定义方便，而且有着更好的后端适应性。 ### Hybrid类型的自定义算子开发 Hybrid类型的自定义算子是自定义算子的默认定义类型。通过使用Hybrid类型的自定义算子，用户可以用类Python的语法描述算子计算逻辑，且无需关注MindSpore框架对于算子定义的工程细节，让用户专注于算法本身。 Hybrid类型的自定义算子使用[MindSpore Hybrid DSL](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/ms_kernel.html#语法规则)描述算子内部计算逻辑的实现。用MindSpore Hybrid DSL定义的函数可以被[AKG算子编译器](https://gitee.com/mindspore/akg)解析进行JIT编译生成高效算子，在大规模模型的训练推理中使用。同时，用MindSpore Hybrid DSL定义的函数可以当做一个`numpy`函数直接调用，方便用户调试的同时也可以灵活的切换到[pyfunc 类型的自定义算子](#自定义算子入门一个例子)，做到一次开发，多个模式多个平台多个场景复用的自定义算子表达。 下面用例(test_custom_hybrid.py)介绍hybrid类型的自定义算子开发流程，其中自定义算子实现两个输入张量相加的功能。 值得注意的是，Hybrid类型的自定义算子采取源码变换的方式打通MindSpore的图编译器和算子编译器，用户可以直接使用MindSpore Hybrid DSL提供的关键词，例如下面的`output_tensor`，而无需引入对应Python函数。更多MindSpore Hybrid DSL关键词的介绍，参见[MindSpore Hybrid DSL关键词](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/ms_kernel.html#关键词)。 ```python import numpy as np from mindspore import ops import mindspore as ms from mindspore.ops import kernel ms.set_context(device_target="GPU") # 算子实现，Hybrid DSL @kernel def add(a, b): c = output_tensor(a.shape, a.dtype) for i0 in range(a.shape[0]): for i1 in range(a.shape[1]): c[i0, i1] = a[i0, i1] + b[i0, i1] return c if __name__ == "__main__": # 定义hybrid类型的自定义算子(Custom的默认模式) op = ops.Custom(add) x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - Hybrid类型是Custom的默认类型。 - Hybrid类型自定义算子的输入必须是一个带有[`@kernel`](https://www.mindspore.cn/docs/zh-CN/r2.2/api_python/ops/mindspore.ops.kernel.html)的函数。 - Hybrid类型自定义算子定义时可以使用自带的自动shape/dtype推导函数，也可以手动输入shape/dtype推导函数。 执行用例： ```bash python test_custom_hybrid.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` 对于更多完整的hybrid类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_ms_kernel.py)。 ### tbe类型的自定义算子开发 tbe类型的自定义算子使用TBE（Tensor Boost Engine）算子DSL，描述算子内部计算逻辑的实现。算子DSL开发可以参考[TBE文档](https://www.hiascend.com/document/detail/zh/canncommercial/51RC2/operatordev/tbedevg/tbedevg_000003.html)。 算子输出shape和数据类型推理可以通过定义Python函数实现，描述算子输出shape和数据类型的推导逻辑。 这种类型的自定义算子需要注册算子信息，算子信息生成方式请参考[算子信息注册](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_adv.html#算子信息注册)。 下面以test_custom_tbe.py为例介绍tbe类型的自定义算子开发流程，其中自定义算子实现两个输入张量相加的功能。 test_custom_tbe.py内容： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.ops as ops from mindspore.ops import DataType, CustomRegOp, custom_info_register ms.set_context(device_target="Ascend") # 算子实现，注册算子信息 @custom_info_register(CustomRegOp() \ .input(0, "a") \ .input(1, "b") \ .output(0, "output") \ .dtype_format(DataType.F16_Default, DataType.F16_Default, DataType.F16_Default) \ .dtype_format(DataType.F32_Default, DataType.F32_Default, DataType.F32_Default) \ .target("Ascend") \ .get_op_info()) def add(a, b, output, kernel_name="add"): import te.lang.cce from te import tvm data0 = tvm.placeholder(a.get("shape"), name="data0", dtype=a.get("dtype").lower()) data1 = tvm.placeholder(b.get("shape"), name="data1", dtype=b.get("dtype").lower()) res = te.lang.cce.vadd(data0, data1) with tvm.target.cce(): sch = te.lang.cce.auto_schedule(res) config = {"print_ir": False, "name": kernel_name, "tensor_list": [data0, data1, res]} te.lang.cce.cce_build_code(sch, config) if __name__ == "__main__": # 定义tbe类型的自定义算子 op = ops.Custom(add, out_shape=lambda x, _: x, out_dtype=lambda x, _: x, func_type="tbe") x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - 用Python lambda函数定义输出shape和数据类型推理函数，并分别传给`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数。本例中lambda函数表明输出shape和数据类型和第一个输入张量的信息相同。 - 通过`CustomRegOp`生成算子信息，并通过`custom_info_register`装饰器注册算子信息。 执行用例： ```bash python test_custom_tbe.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` 对于更多完整的tbe类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_custom_tbe.py)。 ### akg类型的自定义算子开发 akg类型的自定义算子使用[MindSpore AKG](https://gitee.com/mindspore/akg)算子DSL，描述算子内部计算逻辑的实现。MindSpore AKG是基于TVM（Tensor Virtual Machine）和Polyhedral技术的算子开发和编译框架，支持Hybrid、IR builder和TVM compute等多种类型的算子DSL。 算子输出shape和数据类型推理可以通过定义Python函数实现，描述算子输出shape和数据类型的推导逻辑。 若算子包含属性或者只支持特定的输入输出数据类型或数据格式，则需要注册算子信息，算子信息生成方式请参考[算子信息注册](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_adv.html#算子信息注册)。若未注册算子信息，在后端做算子选择和映射的时候，将会从当前算子的输入中推导算子信息。 下面以test_custom_akg.py为例介绍akg类型的自定义算子开发流程，其中自定义算子实现两个输入张量相加的功能。 test_custom_akg.py内容： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.ops as ops ms.set_context(device_target="GPU") # 算子实现，Hybrid DSL def add(a, b): c = output_tensor(a.shape, a.dtype) for i0 in range(a.shape[0]): for i1 in range(a.shape[1]): c[i0, i1] = a[i0, i1] + b[i0, i1] return c if __name__ == "__main__": # 定义akg类型的自定义算子 op = ops.Custom(add, out_shape=lambda x, _: x, out_dtype=lambda x, _: x, func_type="akg") x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - `set_context(device_target="GPU")`表示算子运行在GPU平台，若要运行在Ascend平台，请编译Ascend版本的MindSpore，并将device_target的值设置为"Ascend"。 - 用Python lambda函数定义输出shape和数据类型推理函数，并分别传给`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数。本例中lambda函数表明输出shape和数据类型和第一个输入张量的信息相同。 - 未注册算子信息，所以自定义算子的算子信息将会从算子输入中推理。 执行用例： ```bash python test_custom_akg.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` 对于更多完整的akg类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_custom_akg.py)。 ## 采用AOT编译的自定义算子 AOT类型的自定义算子指用户事先把算子编译成二进制文件后接入网络。通常用户通过C/C++/CUDA等编程语言手工优化算子实现，并把算子以动态库的形式接入MindSpore加速网络。如此，用户可以针对算子进行极致优化，发挥对应后端硬件的极致性能。这里我们会介绍AOT类型自定义算子的一些基础知识，对于AOT类型自定义算子的更多用法和功能，请参见[AOT类型自定义算子进阶用法](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_aot.html) ### aot类型的自定义算子开发 aot类型的自定义算子采用AOT编译方式，要求网络开发者基于特定接口，手写算子实现函数对应的源码文件，并提前将源码文件编译为动态链接库，然后在网络运行时框架会自动调用执行动态链接库中的函数。在算子实现的开发语言方面，GPU平台支持CUDA，CPU平台支持C和C++。源码文件中的算子实现函数的接口规范如下： ```cpp extern "C" int CustomFunc(int nparam, void **params, int *ndims, int64_t **shapes, const char **dtypes, void *stream, void *extra); ``` 其中，函数名`CustomFunc`可替换成任意有效函数名。返回值为int类型，约定0表示正常退出，非0表示发生异常。参数列表的含义如下： - nparam (int): 输入输出总数。比如算子有2个输入，1个输出，则nparam的值为3。 - params (void \*\*): 输入输出指针数组。比如算子有2个输入，1个输出，params[0]指向第一个输入数据，params[1]指向第二个输入数据，params[2]指向输出数据。 - ndims (int \*): 输入输出shape维度数组。比如params[i]是个shape[1024, 1024]的张量，则ndims[i]的值为2。 - shapes (int64_t \*\*): 输入输出shape数组。比如params[i]是个shape[1024, 1024]的张量，则shapes[i][0]的值为1024，shapes[i][1]的值为1024。 - dtypes (const char \*\*): 输入输出数据类型数组。dtypes里的元素取值可为："float32", "float16", "float", "float64", "int", "int8", "int16", "int32", "int64", "uint", "uint8", "uint16", "uint32", "uint64", "bool"。 - stream (void \*): CUDA流指针，仅定义GPU算子实现时需要。 - extra (void \*): 用于后续扩展。 在Python脚本中，`Custom`接口中的`func`输入的格式为`Path_To_Func:CustomFunc`，其中`CustomFunc`为上面函数的名字，而`Path_To_Func`为对应函数源文件或者二进制库的地址。 > - MindSpore识别自动编译的方式为文件名后缀。为了使用自动编译功能，请使用后缀为`cpp`、`cc`或者`cu`的源文件。其他情况MindSpore将处理为二进制库的路径； > - 为了防止恶意第三方库篡改，请在环境变量`MS_CUSTOM_AOT_WHITE_LIST`设置合法第三方库的路径。只有在`MS_CUSTOM_AOT_WHITE_LIST`设置的目录及其子目录下文件才会被自定义算子调用。 算子输出shape和数据类型推理可以通过定义Python函数实现，描述算子输出shape和数据类型的推导逻辑。 若自定义算子只支持特定的输入输出数据类型，则需要定义算子信息，算子信息生成方式请参考[算子信息注册](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_adv.html#算子信息注册)。 下面通过例子介绍GPU平台和CPU平台上aot类型的自定义算子开发流程，其中自定义算子实现两个输入张量相加的功能。 #### GPU示例 使用CUDA语言，编写算子实现的源码文件add.cu： ```cpp #define THREADS 1024 __global__ void CustomAddKernel(float *input1, float *input2, float *output, size_t size) { auto idx = blockIdx.x * THREADS + threadIdx.x; if (idx < size) { output[idx] = input1[idx] + input2[idx]; } } extern "C" int CustomAdd(int nparam, void **params, int *ndims, int64_t **shapes, const char **dtypes, void *stream, void *extra) { cudaStream_t custream = static_cast(stream); if (nparam != 3) return 1; void *input1 = params[0]; void *input2 = params[1]; void *output = params[2]; size_t size = 1; for (int i = 0; i < ndims[2]; i++) { size *= shapes[2][i]; } int n = size / THREADS; for (int i = 0; i < nparam; i++) { if (strcmp(dtypes[i], "float32") != 0) { return 2; } } CustomAddKernel<<>>(static_cast(input1), static_cast(input2), static_cast(output), size); return 0; } ``` 将add.cu编译成动态库add.so： ```bash nvcc --shared -Xcompiler -fPIC -o add.so add.cu ``` 编写测试用例test_custom_aot.py： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.ops as ops ms.set_context(device_target="GPU") if __name__ == "__main__": # 定义aot类型的自定义算子 op = ops.Custom("./add.so:CustomAdd", out_shape=lambda x, _: x, out_dtype=lambda x, _: x, func_type="aot") x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - 本例中需要将test_custom_aot.py和add.so放置在同一目录下，若add.so在其他目录，则需要将`Custom`第一个参数里路径修改为add.so的绝对路径。 - 用Python lambda函数定义输出shape和数据类型推理函数，并分别传给`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数。本例中lambda函数表明输出shape和数据类型和第一个输入张量的信息相同。 - 未注册算子信息，所以自定义算子的算子信息将会从算子输入中推理。 执行用例： ```bash python test_custom_aot.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` #### CPU示例 使用C或者C++语言，编写算子实现的源码文件add.cc： ```cpp #include using size_t = decltype(sizeof(int)); using int64_t = decltype(sizeof(long)); extern "C" int CustomAdd(int nparam, void **params, int *ndims, int64_t **shapes, const char **dtypes, void *stream, void *extra) { if (nparam != 3) return 1; float *input1 = static_cast(params[0]); float *input2 = static_cast(params[1]); float *output = static_cast(params[2]); size_t size = 1; for (int i = 0; i < nparam; i++) { size *= shapes[2][i]; } for (int i = 0; i < nparam; i++) { if (strcmp(dtypes[i], "float32") != 0) { return 2; } } for (int i = 0; i < size; i++) { output[i] = input1[i] + input2[i]; } return 0; } ``` 将add.cc编译成动态库add.so： ```bash g++ --shared -fPIC -o add.so add.cc ``` 编写测试用例test_custom_aot.py： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.ops as ops ms.set_context(device_target="CPU") if __name__ == "__main__": # 定义aot类型的自定义算子 op = ops.Custom("./add.so:CustomAdd", out_shape=lambda x, _: x, out_dtype=lambda x, _: x, func_type="aot") x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - 本例中需要将test_custom_aot.py和add.so放置在同一目录下，若add.so在其他目录，则需要将`Custom`第一个参数里路径修改为add.so的绝对路径。 - 用Python lambda函数定义输出shape和数据类型推理函数，并分别传给`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数。本例中lambda函数表明输出shape和数据类型和第一个输入张量的信息相同。 - 未注册算子信息，所以自定义算子的算子信息将会从算子输入中推理。 执行用例： ```bash python test_custom_aot.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` 对于更多完整的aot类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_custom_aot.py)。 ### aicpu类型的自定义算子开发 aicpu类型的自定义算子采用AOT编译方式，要求算子开发者基于提供的特定接口，手写算子实现函数对应的源码文件，并提前将源码文件编译为动态链接库，然后框架会根据开发者在算子属性中配置的动态链接库名称，找到对应动态链接库并加载算子。具体算子实现参考[CANN AICPU 自定义算子开发](https://www.hiascend.com/document/detail/zh/canncommercial/51RC2/operatordev/aicpudevg/aicpudevg_000026.html)。 算子输出shape和数据类型推理可以通过定义Python函数实现，描述算子输出shape和数据类型的推导逻辑。 这种类型的自定义算子需要注册算子信息，算子信息生成方式请参考[算子信息注册](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_adv.html#算子信息注册)，aicpu类型的自定义算子，需要额外指定`attr("cust_aicpu", "required", "str", "mindspore_aicpu_kernels")`的属性，用于MindSpore找到对应的算子实现的动态链接库。 > - 需要注意的是，aicpu类型的自定义算子开发后编译成的动态链接库，需要存放到MindSpore的lib目录下，比如MindSpore安装在虚拟环境`/home/conda/envs/aicpu/lib/python3.7/site-packages/mindspore`下，则aicpu的so文件需要放到`/home/conda/envs/aicpu/lib/python3.7/site-packages/mindspore/lib/`目录下。 > - “cust_aicpu”的值为字符串，用算子动态链接库的名字去除`lib`前缀与`.so`后缀表示，如`libmindspore_aicpu_kernels.so`则设为`"mindspore_aicpu_kernels"`即可。 下面以test_dropout_aicpu.py为例介绍aicpu类型的自定义算子开发流程，其中自定义算子实现了dropout的功能，并且编译好的算子动态链接库，我们命名为libmindspore_aicpu_kernels.so，并已将该动态链接库放至mindspore根目录的lib下。 test_dropout_aicpu.py内容： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.nn as nn import mindspore.ops as ops from mindspore.ops import CustomRegOp, DataType ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE, device_target="Ascend") # 算子实现，注册算子信息 acos_op_info = CustomRegOp("Abs") \ .fusion_type("OPAQUE") \ .input(0, "x", "required") \ .output(0, "y", "required") \ .attr("cust_aicpu", "required", "str", "mindspore_aicpu_kernels") \ .dtype_format(DataType.F16_Default, DataType.F16_Default) \ .dtype_format(DataType.F32_Default, DataType.F32_Default) \ .dtype_format(DataType.F64_Default, DataType.F64_Default) \ .target("Ascend") \ .get_op_info() # 定义自定义算子网络 class NetAbs(nn.Cell): def __init__(self): super(NetAbs, self).__init__() self.op = ops.Custom("acos_aicpu", out_shape=lambda x, cust_attr: x, out_dtype=lambda x, cust_attr: x, func_type="aicpu", reg_info=acos_op_info) self.cust_aicpu_so_path = "mindspore_aicpu_kernels" def construct(self, inputs): return self.op(inputs, self.cust_aicpu_so_path) if __name__ == "__main__": # 定义aicpu类型的自定义算子 input_tensor = ms.Tensor(np.ones([1, 1, 2, 3]), ms.float32) abs_nn = NetAbs() output = abs_nn(input_tensor) print("output shape: ", output.shape) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - 可以用多种方式指定`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数，可以给定类型，也可以用Python lambda函数等设置。本例中lambda函数表明输出的两个shape与输入相同，第一个输出的数据类型和输入张量的信息相同，第二个输出的数据类型为bool类型。 - 通过`CustomRegOp`生成算子信息，并通过`Custom`的`reg_info`接口传入。 执行用例： ```bash python test_dropout_aicpu.py ``` 执行结果（由于dropout算子具有随机性，多次运行结果存在差异）： ```text output shape: (1, 1, 2, 3) ``` ## 自定义算子接入第三方前端 作为MindSpore未来的发展方向之一，AI和科学计算的融合越来越受到业界的重视。MindSpore自定义算子基于自身表达的灵活性，也在科学计算方面做出了探索：把面向HPC的编程前端以自定义算子的方式接入MindSpore。 ### julia类型的自定义算子开发 Julia是一种速度快且使用简单的高级通用编程语言，最初设计用于科学计算领域，而由于其高效而实用的特性，近些年来越来越受到用户的青睐，逐步迈向主流编程语言。 julia类型的自定义算子使用Julia语法定义算子实现函数，描述算子内部计算逻辑的实现。网络运行时框架会自动调用执行相应的Julia函数。 算子输出shape和数据类型推导可以通过定义Python函数实现，描述算子输出shape和数据类型的推导逻辑。 若自定义算子只支持特定的输入输出数据类型，则需要定义算子信息，算子信息生成方式请参考[算子信息注册](https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r2.2/operation/op_custom_adv.html#算子信息注册)。 下面以两个输入张量相加为例，介绍julia类型的自定义算子开发流程: 首先，用户需要通过单独文件实现Julia函数，如(add.jl)： ```julia # add.jl module Add # inputs: x, y, output: z, output should use .= to inplace assign function add(x, y, z) z .= x + y end end ``` 其次，在网络脚本中通过自定义算子方式引用上面所写的Julia函数，以test_custom_julia.py为例： ```python import numpy as np import mindspore as ms import mindspore.ops as ops ms.set_context(device_target="CPU") if __name__ == "__main__": # 定义julia类型的自定义算子 op = ops.Custom("./add.jl:Add:add", out_shape=lambda x, _: x, out_dtype=lambda x, _: x, func_type="julia") x0 = np.array([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0]]).astype(np.float32) x1 = np.array([[2.0, 2.0], [3.0, 3.0]]).astype(np.float32) output = op(ms.Tensor(x0), ms.Tensor(x1)) print(output) ``` 本例中，有如下几点需要说明： - 用Python lambda函数定义输出shape和数据类型推理函数，并分别传给`Custom`原语的`out_shape`和`out_dtype`参数。本例中lambda函数表明输出shape和数据类型和第一个输入张量的信息相同。 - 未注册算子信息，所以自定义算子的算子信息将会从算子输入中推理。 执行用例： ```bash python test_custom_julia.py ``` 执行结果： ```text [[2. 2.] [4. 4.]] ``` 注意事项： 1. 用户需确保下载正确版本的Julia，即version>=1.6.0。 2. 由于运行时调用的Julia C api是从`libjulia.so`中获取的，因此需要用户设置`julia/lib`到`LD_LIBRARY_PATH`，以julia-1.6.5为例: ```bash # download julia-1.6.5 wget https://julialang-s3.julialang.org/bin/linux/x64/1.6/julia-1.6.5-linux-x86_64.tar.gz # extract file tar xvf julia-1.6.5-linux-x86_64.tar.gz # if $JULIA_DIR not exist export LD_LIBRARY_PATH=$PWD/julia-1.6.5/lib:$LD_LIBRARY_PATH # else export LD_LIBRARY_PATH=$JULIA_DIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH ``` 3. `Custom` 第一个入参指定用户书写的Julia函数需按照`file_name:module_name:func_name`格式指定，`file_name`需包含文件路径，建议使用绝对路径。 4. Julia代码文件需包含`module`, `module`内包含`function`，且`module`/`function`都以`end`结束。 5. Julia函数的输入输出顺序需与算子的输入输出顺序一致。 6. Julia函数的最终输出，即kernel output的赋值需要使用`.=`，否则结果无法写入内存。 7. Julia代码支持[Julia](https://docs.julialang.org/en/v1/)的常用语法，用户需自行保证语法正确，函数可正确执行。 8. 用户想在Julia文件内使用Julia的第三方软件包，需自行下载对应软件以确保能正确调用，可以通过 `import pkg; pkg.add("somepkg")`进行安装。 9. `julia array`在内存上是`column major`排列的，而`numpy array`是`row major`排列的，如果Julia和numpy做比较，非elemwise计算需考虑内存排布。在Julia函数中，可以通过如下代码示例进行`numpy array`和`julia array`的相互转换: ```julia function change_input_to_row_major(x) return permutedims(reshape(x, reverse(size(x))), length(size(x)):-1:1) end function change_output_to_row_major(x) return reshape(permutedims(x, length(size(x)):-1:1), size(x)) end ``` 以矩阵乘为例： ```julia # julia array is column-major, numpy array is row-major # user should change julia or numpy's layout to keep same behavior #= EXAMPLE A[2,3] B[3,4] C[2,4] NUMPY: [[1, 2, 3] [[1, 2, 3, 4] [[38, 44, 50, 56] [4, 5, 6]] [5, 6, 7, 8] [83, 98, 113,128]] [9,10,11,12]] JULIA: change_input_to_row_major: 1.inputs read numpy data from memory: [[1, 3, 5] [[1, 4, 7,10] [2, 4, 6]] [2, 5, 8,11] [3, 6, 9,12]] 2.inputs after reshape(reverse(shape)): [[1, 4] [[1, 5, 9] [2, 5] [2, 6,10] [3, 6]] [3, 7,11] [4, 8,12]] 3.inputs after transpose/permutedims: [[1, 2, 3] [[1, 2, 3, 4] [[38, 44, 50, 56] [4, 5, 6]] [5, 6, 7, 8] [83, 98, 113,128]] [9,10,11,12]] change_output_to_row_major: 1.output after transpose/permutedims: [[38, 83] [44, 98] [50,113] [56,128] 2.output after reshape: [[38, 50, 83, 113] [44, 56, 98, 128]] 3.output read numpy data from memory: [[38, 44, 50, 56] [83, 98,113, 128]] =# function foo!(x, y, z) x = change_input_to_row_major(x) y = change_input_to_row_major(y) z .= gemm(x, y, z) z .= change_output_to_row_major(z) end ``` 对于更多完整的jullia类型自定义算子的例子，参见MindSpore源码中的[用例](https://gitee.com/mindspore/mindspore/blob/r2.2/tests/st/ops/graph_kernel/custom/test_custom_julia.py)。