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麻省理工為高性能計算機開發新的編程語言

麻省理工為高性能計算機開發新的編程語言

2022-02-15 Comments 0 Comment

在上月於費城舉辦的編程語言原理大會上,麻省理工學院(MIT)計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)二年級博士生Amanda Liu 表示,使用他們專為高性能計算而設計的新編程語言,可以很好地兼顧速度與正確性。此前人們普遍認為,速度與可靠性存在不可避免的權衡。

據悉,Liu 與加州大學伯克利分校博士後Gilbert Louis Bernstein、MIT 副教授Adam Chlipala 和助理教授Jonathan Ragan-Kelley 一道,描述了他們最近開發的“張量語言”(A Tensor Language)。

ATL 語言旨在產生一個數字或張量,所謂張量就向向量和矩陣的泛化。

向量是一維對象(通常由單獨的箭頭表示),矩陣是相對臉熟的二維數字數組。

而張量是n 維數組,例如可用3×3×3 的數組形式、或更高/ 更低的維度。

https://tv.sohu.com/s/sohuplayer/iplay.html?bid=326223087&autoplay=false&disablePlaylist=true

一個經過驗證的優化張量程序的框架(via)

計算機算法或程序的全部意義,在於啟動特定的計算。不過想要實現目的,可用諸多不同的方式來編寫。正如該研究團隊在即將發表的會議論文中所寫的那樣:

各種不同的代碼實現方式讓人眼花繚亂,某些方案的速度要快得多。

但鑑於高性能計算的資源開銷極其誇張,ATL 希望用更高效的方式來修改或重寫程序。

普通開發者習慣從最容易著手的地方開始編程,但這顯然沒有考慮到最佳的運行效率,因而需要進一步調整優化。

2.jpg

假設圖像由100×100 的數字數組表示,每個數字對應一個像素,且希望獲得這些數字的均值。

這項工作可通過兩階計算完成,首先確定每行的平均值,然後獲取每列的平均值。

ATL 提供了一個相關的工具包—— 計算機科學家稱之為“框架”—— 能夠展示如何將這兩個步驟轉換為更快的一步過程。

3.jpg

Liu 補充道:我們可藉助所謂的“證明助手”(proof assistant),來確保這種優化的正確性。

有鑑於此,團隊在現有的Coq 語言的基礎上構建了新語言。而其中包含的證明助手,具有以數學嚴謹的方式證明其斷言的內在能力。

不過在MIT 團隊看來,Coq 有另一個值得稱道的內在特性—— 用它編寫或適配的程序,是無法在無限循環中無止境地運行的。

4.jpg

舉個例子,用Java 編寫的程序,可能會發生這種狀況。我們運行一個程序來得到一個單一的答案—— 一個數字、或一個張量。

一個永不終止的程序,對我們說來毫無用處,但終止(terminate)是我們可使用Coq 免費獲得的一項特性。

只得一提的是,ATL 項目結合了Ragan-Kelley 和Chlipala 兩項研究的成果,前者長期持續關注著高性能計算背景下的算法優化。

與此同時,Chlipala 更關注算法優化的形式化(例如基於數學的驗證),但ATL 是兩者都首次合作—— Bernstein 和Liu 與去年攜手,並產出了ATL 這個成果。

5.jpg

據悉,ATL 是首個、也是迄今唯一一個具有正式驗證優化的張量語言。目前ATL 仍處於原型階段,但研究團隊已在許多小程序上展開了測試,可知其具有相當光明的前景。

展望未來,他們的主要目標之一是提升ATL 的可擴展性,以便它能夠用於我們在現實世界中看到的更大型的程序。

此前這些程序的優化工作,通常需要人工來完成。除了總有臨時需要解決的問題、還總涉及反复實驗,因而難免發生大量的錯誤。

好消息是,借助ATL,我們有望遵循一種更具原則的方法來重寫這些程序—— 且這麼做更加容易,也更能保證程序的正確性。

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