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算子并行与编译优化

AI999 第4课:现代计算底座与张量化并行演化
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在 EvoX 的现代计算底座中,演化算子的最小执行单元不再是“个体”,而是整个种群张量:变异、交叉、选择等算子一次调用即可覆盖全部个体;在此之上,计算图编译把算子序列组织成可优化的执行计划,在保持算法语义不变的前提下提升执行效率。

算子并行与编译优化 以张量为单位的批量演化 · 计算图编译优化执行计划 种群张量 [N, D] · 全部个体 个体维度充当批量维度 一次调用覆盖全部个体 一次调用 覆盖全种群 演化算子计算图 变异 交叉 选择 算子依赖关系 → 计算图 在整张图上做全局优化 而非逐个算子调用现成实现 编译 编译前 逐个体循环 · 内核启动次数多 内核启动次数多,批量维度仅为 1 算子融合 · 内核生成 · 内存复用 · 调度优化 编译后 融合计算图 · 少量高效内核 一次批量前向完成整代演化 怎么算 · 执行方式 内核数量 中间张量 内存与调度策略 优化只落在执行层,不改变算子更新规则 算什么 · 算法语义 变异 交叉 选择 相同随机种子下,演化结果保持一致 ≠

算子并行:以张量为单位的批量演化

  • 张量级算子:变异、交叉、选择可直接作用于形状为 [N, D] 的种群张量(N 为种群规模,D 为决策变量维度),一次算子调用覆盖全部 N 个个体。
  • 消除逐个体循环:不必再写 for ind in population: ind = mutate(ind) 这样的 Python/CPU 串行循环,从而减少频繁的函数调度与框架调用开销。
  • 用批量维度换吞吐:个体维度充当批量维度后,算子在设备上以大规模并行方式执行,批量演化的吞吐随种群规模放大。

计算图编译:从算子序列到执行计划

把“变异 → 交叉 → 选择”的算子依赖关系组织成一张计算图,编译器就能在整张图上做全局优化,而不只是逐个算子地调用现成实现:

  • 算子融合:把多个逐元素(element-wise)运算合并成一个内核,减少中间张量的产生与反复读写。
  • 内核生成与调度:为融合后的子图生成高效内核,用更少的 kernel 启动次数完成整代演化。
  • 内存复用:为中间结果预先规划缓冲区,降低显存分配与数据搬运带来的额外开销。

效率变了,语义没变

需要区分“怎么算”与“算什么”。算子并行与编译优化只改变执行方式——内核数量、中间张量规模、内存与调度策略——而不改变变异、交叉、选择本身的逻辑含义。算法层仍然按演化语义组合算子,因此在相同随机种子下,优化前后的演化轨迹与结果应当一致。一句话概括:张量化解决“批量算得快不快”,计算图编译解决“内核调度得优不优”,而“算的是什么”保持不变。

常见误区
把“张量化”误认为“换了一种演化算法”。张量化只是把同一个算子作用到整个种群张量上,个体之间的更新规则没有改变;编译优化同样不会让算法“变得更聪明”。真正需要警惕的是优化之后不做回归验证,把实现差异误当成算法改进。