《深入理解 Ascend C：华为昇腾 AI 芯片的高性能编程语言》

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He1452_

484人浏览 · 2025-12-17 10:20:13

He1452_ · 2025-12-17 10:20:13 发布

引言：为什么需要 Ascend C？

随着人工智能技术的飞速发展，算力需求呈指数级增长。传统通用处理器（如 CPU）在处理大规模神经网络计算时逐渐显现出性能瓶颈，而 GPU 虽然在并行计算方面表现优异，但其高功耗与封闭生态也带来诸多挑战。在此背景下，华为推出的 昇腾（Ascend）AI 芯片系列（如 Ascend 910B）凭借高能效比、全栈自主可控和软硬协同优化，成为国产 AI 算力的重要支柱。

然而，要充分发挥昇腾芯片的性能潜力，仅靠高层框架（如 MindSpore、PyTorch）是不够的——底层算子的效率直接决定了模型训练与推理的速度。为此，华为推出了 Ascend C，一种专为昇腾 AI 处理器设计的 高性能 C++ 扩展编程语言，用于开发高度优化的自定义算子（Custom Operator）。

本文将系统性地介绍 Ascend C 的设计理念、核心特性、编程模型、内存管理机制，并通过一个简单示例展示其基本用法，帮助开发者迈入昇腾高性能编程的大门。

一、Ascend C 是什么？

Ascend C 并非一门全新的编程语言，而是基于 C++17 标准，结合昇腾 AI 芯片架构（特别是达芬奇架构）特点，提供的一套 编程范式 + 库函数 + 编译工具链。其目标是：

屏蔽硬件复杂性：开发者无需直接操作指令集或寄存器；
最大化数据并行性：利用昇腾芯片的 Cube 单元（矩阵计算核心）和 Vector 单元（向量计算单元）；
支持细粒度流水线调度：实现计算与数据搬运的重叠，隐藏访存延迟；
与 CANN（Compute Architecture for Neural Networks）深度集成：无缝接入华为 AI 全栈生态。

✅ 关键点：Ascend C 的核心不是“写 C++”，而是“按昇腾芯片的思维方式写 C++”。

二、昇腾芯片架构简述：理解 Ascend C 的硬件基础

要掌握 Ascend C，必须了解其运行的硬件平台——昇腾 AI 处理器（以 Ascend 910 为例）的核心组件：

AI Core（达芬奇核心）：
- 包含多个 Cube 单元（用于 INT8/FP16 矩阵乘加）、Vector 单元（用于标量/向量运算）、Scalar 单元（控制流）；
- 拥有 Unified Buffer (UB)：高速片上缓存（约 2MB），带宽远高于外部 HBM；
- 支持 多级流水线：数据从 Global Memory → UB → Cube/Vector → UB → Global Memory。
AI CPU：负责任务调度与控制逻辑；
HBM（High Bandwidth Memory）：大容量但相对低速的全局内存。

Ascend C 的编程模型正是围绕 UB 的高效利用 和 计算-搬运重叠 展开的。

三、Ascend C 编程模型：三层抽象

Ascend C 采用 三层抽象模型，对应芯片的三级存储层次：

抽象层	存储位置	作用	关键 API
Global	HBM（全局内存）	存放输入/输出张量	`global_tensor`
Local	Unified Buffer (UB)	片上高速缓存，用于暂存分块数据	`local_tensor`
Pipeline	——	控制数据搬运与计算的流水线	`pipeline`

开发者需手动将 Global 数据分块搬入 Local（UB），在 Local 上执行计算，再将结果写回 Global。这一过程称为 Tiling（分块）策略。

四、核心概念详解

1. Tensor 描述符（Tensor Descriptor）

Ascend C 使用 tensor_desc 定义张量的形状、数据类型、布局（如 NCHW、NHWC）。例如：

#include "ascendcl.h"
#include "common.h"

// 定义输入张量描述
auto input_desc = tensor_desc(shape{1, 3, 224, 224}, data_type::float16, format::NCHW);

2. 内存分配与搬运

Alloc Local Tensor：

auto ub_input = local_tensor<float16>(shape{1, 3, 16, 16}); // 分配 UB 空间

Data Copy：

copy_in(ub_input, global_input, block_idx); // 从 Global 搬入 UB
copy_out(global_output, ub_output, block_idx); // 从 UB 搬出到 Global

3. 计算原语（Compute Primitives）

Ascend C 提供丰富的内置计算函数，如：

matmul：矩阵乘法（自动调用 Cube 单元）
add, relu, sigmoid：逐元素运算（Vector 单元）
reduce_sum, transpose：规约与变换操作

这些函数经过高度优化，可自动利用 SIMD 和并行单元。

4. 流水线控制（Pipeline）

通过 pipeline 对象协调数据搬运与计算：

pipeline pipe;
pipe.push_back(stage_copy_in);
pipe.push_back(stage_compute);
pipe.push_back(stage_copy_out);
pipe.run();

编译器会自动插入双缓冲（Double Buffering），实现 计算第 i 块的同时搬运第 i+1 块，极大提升吞吐。

五、Hello World：实现一个 ReLU 算子

以下是一个完整的 Ascend C 自定义 ReLU 算子示例：

#include "kernel_operator.h"

using namespace AscendC;

extern "C" __global__ __aicore__ void relu_custom(
    uint32_t* input, uint32_t* output, uint32_t total_size) {
    
    // 1. 初始化核函数上下文
    InitKernel();
    
    // 2. 定义 Global 张量
    auto global_input = global_tensor<float16>(input, total_size);
    auto global_output = global_tensor<float16>(output, total_size);
    
    // 3. 分配 Local 张量（UB）
    constexpr int32_t BLOCK_SIZE = 1024; // 每次处理 1024 个元素
    auto ub_input = local_tensor<float16>(BLOCK_SIZE);
    auto ub_output = local_tensor<float16>(BLOCK_SIZE);
    
    // 4. 计算总块数
    int32_t block_count = (total_size + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE;
    
    // 5. 流水线循环
    for (int32_t i = 0; i < block_count; i++) {
        // 搬入数据
        copy_in(ub_input, global_input[i * BLOCK_SIZE], 
                min(BLOCK_SIZE, total_size - i * BLOCK_SIZE));
        
        // 执行 ReLU: max(x, 0)
        relu(ub_output, ub_input, BLOCK_SIZE);
        
        // 搬出结果
        copy_out(global_output[i * BLOCK_SIZE], ub_output, 
                 min(BLOCK_SIZE, total_size - i * BLOCK_SIZE));
    }
    
    // 6. 同步
    Pipe::SyncAll();
}