opt: cumsum/chunked attention kernels, memory-flat CE, block checkpointing, v2 trainer (proven equivalent, 46 tests)
397bf25 verified |
Download docs/OPTIMIZATION_2026-08-22.md from thefinalboss/fractus-cte: direct link, hf CLI and curl.
- Browser
- Download file 9.29 kB
-
https://huggingface.co/thefinalboss/fractus-cte/resolve/8e46f2cf53e63440225486f98e83043aec096172/docs/OPTIMIZATION_2026-08-22.md
- Command line
-
hf download hf://thefinalboss/fractus-cte@8e46f2cf53e63440225486f98e83043aec096172/docs/OPTIMIZATION_2026-08-22.md
-
curl -L -o OPTIMIZATION_2026-08-22.md https://huggingface.co/thefinalboss/fractus-cte/resolve/8e46f2cf53e63440225486f98e83043aec096172/docs/OPTIMIZATION_2026-08-22.md
9.29 kB
| # Optimisation de l'entraînement Fractus-1B — 2026-08-22 | |
| **Principe cardinal : chirurgie à cœur ouvert.** | |
| Toute modification du code doit être **mathématiquement équivalente** à | |
| l'implémentation de référence, prouvée par tests d'équivalence numérique, | |
| sans changer la moindre forme de paramètre. Le cerveau (`.pt`) ne bouge pas ; | |
| seul le corps (le code) est opéré. La reprise au token exact via les manifests | |
| reste valide — un pod peut passer à ce code **en cours de run**, sans jeter la | |
| digestion. | |
| --- | |
| ## 1. Diagnostic : pourquoi ~1000 tok/s/GPU alors que la 5090 peut faire bien plus | |
| Config 1B par bloc : 20 têtes × d_head=64, 2 niveaux, chunk C=128. | |
| Le moteur aplatit `(B, niv, H)` en `G = B·niv·H = B·40` groupes. | |
| ### Goulot n°1 — le cumsum déguisé en matmul (`attention.py`, ancien code) | |
| ```python | |
| S = torch.einsum("tj,bjpq->btpq", mask_tril, outer) # Σ_{j≤t} outer[j] | |
| ``` | |
| C'est un cumsum causal écrit comme une multiplication par un masque | |
| triangulaire inférieur : | |
| | Forme | Opérations | À C=128, D=64 | | |
| |---|---|---| | |
| | masque (ancienne) | O(C²·D²) MACs + rétro O(C²·D²) | ≈ 67M MACs/groupe | | |
| | cumsum (nouvelle) | O(C·D²) additions | ≈ 0.5M adds/groupe → **~128× moins** | | |
| La rétropropagation profite pareil : dérivée d'un cumsum = cumsum inverse, | |
| pas un nouveau matmul masqué géant. | |
| ### Goulot n°2 — matérialisation des tenseurs `(G, C, D, D)` | |
| `outer` et `S` font `G·128·64·64` éléments. À B=4 : G=160 → **84M éléments | |
| (~168 Mo en bf16)** chacun, retenus pour la backward, **par bloc ×16 blocs**. | |
| C'est LA pression VRAM qui force `BATCH=2-4` et interdit `torch.compile` | |
| (commentaire "compile disabled for VRAM" dans fast4gpu_boost.py). | |
| Forme *chunked* (bloc=64) : on ne matérialise que `(G, 64, 64)` (scores) | |
| + l'état courant `(G, D, D)` → **~32× moins d'activations dominantes**. | |
| ### Goulot n°3 — la tête liée 50257 | |
| Les logits `(B, C, 50257)` fp32 (~103 Mo à B=4) + softmax backward sont | |
| matérialisés deux fois avec SS. La tête ≈ **la moitié des FLOPs actifs** | |
| (64.3M des ~192M MACs/token). CE par morceaux checkpointée → mémoire | |
| transitoire plate (`ce_chunk·vocab`), sans toucher aux FLOPs. | |
| ### Goulot n°4 — pipeline données | |
| `np.load(mmap).to(torch.int64)` copiait **tout le shard en RAM** : | |
| 430M tokens × 8 octets = **3,4 Go/process × 8 process**. Le slicing | |
| par chunk int32→long supprime ça (et la page cache fait le reste). | |
| ### Estimation d'utilisation GPU | |
| FLOPs actifs/token ≈ 1.15 GFLOP (fwd+bwd) → à 1000 tok/s ≈ 1.15 TFLOPS | |
| sur une 5090 (~200 TFLOPS bf16 crête) : **<1% d'utilisation**. Le modèle est | |
| borné par la mémoire/les petits batches/l'overhead Python, pas par le calcul. | |
| Tout l'espace d'optimisation est là. | |
| --- | |
| ## 2. Les optimisations (toutes prouvées équivalentes) | |
| ### Opt 1 — noyau cumsum (`fractus/nn/attention.py`) | |
| - `_linear_attention_causal_einsum` : **référence conservée** (vérité terrain). | |
| - `_linear_attention_causal_cumsum` : production par défaut. | |
| - `_linear_attention_causal_vectorized` : dispatcher inchangé pour les appelants. | |
| - Preuves : `tests/test_attention_equivalence.py::test_forward_matches_einsum_*`, | |
| `test_gradients_match_with_carry`, `test_both_match_looped_reference`. | |
| ### Opt 2 — forme chunked mémoire-plate (`_linear_attention_causal_chunked`) | |
| Intra-bloc via matrice de scores `(bloc×bloc)` masquée + inter-bloc via l'état | |
| courant `(S_run, z_run)` ; mise à jour inclusive APRÈS lecture (= sémantique | |
| exacte S_t incluant le token t). Sélection : `set_attention_impl('chunked')` | |
| ou env `FRACTUS_ATTN_IMPL=chunked`. Ragged → fallback cumsum exact. | |
| - Recommandation pod : **chunked sur GPU** (VRAM → compile + gros batch), | |
| cumsum reste parfait sur CPU. | |
| ### Opt 3 — CE par morceaux checkpointée (`fractus/nn/ce.py`) | |
| `chunked_cross_entropy(h, W, targets, ce_chunk)` : perte moyenne identique, | |
| grads identiques (tolérance ordre de sommation fp32), pics mémoire plats grâce | |
| à `torch.utils.checkpoint` par morceau (recompute en backward). | |
| Nouvelle entrée moteur : `tick_chunk_train_ce(obs, targets[, return_hidden])`. | |
| `sample_tokens_chunked(...)` remplace le multinomial dense pour le SS | |
| (distribution identique ; flux RNG consommé par morceaux → tirages non | |
| bit-identiques, statistiquement équivalents). | |
| ### Opt 4 — sémantique SS préservée + accumulation optionnelle | |
| `scripts/fast4gpu_boost_v2.py` réplique EXACTEMENT v1 quand `ACCUM=1` | |
| (défaut) : step TF puis step SS séparés. `ACCUM>1` = capability nouvelle, | |
| déviation documentée (grads TF+SS accumulés, un clip+step tous les N lots). | |
| ### Opt 5 — pipeline données zéro-copie | |
| Slice memmap int32 par chunk → transfert → `.long()` sur GPU. | |
| Un seul fetch `(B·SEQ+1)` fournit chunk ET target. RAM économisée : | |
| ~27 Go sur un pod 8×5090. | |
| --- | |
| ## 3. Comment déployer sur le pod (cœur ouvert) | |
| ```bash | |
| # 1. Sauvegarder l'état (rien à faire de plus : HF = source de vérité) | |
| # Les checkpoints gpu*.pt + RESUME_MANIFEST restent valides tels quels. | |
| # 2. Remplacer le corps : | |
| # fractus/nn/attention.py, fractus/nn/ce.py (nouveau), | |
| # fractus/continuous_engine.py (méthode ajoutée, rien retiré), | |
| # scripts/fast4gpu_boost_v2.py (nouveau). | |
| # 3. Relancer chaque GPU avec les MÊMES offsets qu'avant l'arrêt : | |
| CUDA_VISIBLE_DEVICES=$i GPU_ID=$i \ | |
| START_TOKEN=$(python -c "import json;print(json.load(open('checkpoints/RESUME_MANIFEST_8GPU.json'))['gpu_$i']['start_token'])") \ | |
| BATCH=8 CE_CHUNK=2048 FRACTUS_ATTN_IMPL=chunked COMPILE=1 \ | |
| python -u scripts/fast4gpu_boost_v2.py | |
| ``` | |
| Ordre de montée en puissance recommandé (valider à chaque étape) : | |
| 1. Code swap, mêmes réglages que v1 (`BATCH=4 CE_CHUNK=0`) → vérifier ema_tf | |
| continue exactement sa courbe (équivalence en conditions réelles). | |
| 2. `CE_CHUNK=2048` → perte identique, VRAM ↓. | |
| 3. `FRACTUS_ATTN_IMPL=chunked` → VRAM ↓↓ (mesuré §4 : ×15–25 vs référence, | |
| mémoire plate là où la référence explose). | |
| 4. `COMPILE=1` puis monter `BATCH` (8, 16…) — surveiller tok/s et VRAM. | |
| 5. Optionnel `ACCUM` si on veut un lot effectif plus grand sans OOM. | |
| Critères de non-régression (cf. docs/TRUSTED_LOSS.md) : ema_tf continue de | |
| descendre sans NaN, lb stable ~14, sondes gén inchangées de comportement. | |
| --- | |
| ## 4. Résultats mesurés (CPU local, torch 2.9.1+cpu, 2026-08-23) | |
| Micro-bench attention formes 1B réelles (G=B·40 groupes, C=128, dH=64), | |
| carry actif ; médiane sur 8 itérations. Chaque cellule tourne dans son | |
| propre sous-processus : un crash natif d'une cellule n'emporte pas la table. | |
| | Impl | B | G | fwd ms | fwd+bwd ms | RSS Δ MB | | |
| |---|---|---|---|---|---| | |
| | einsum (réf) | 2 | 80 | 267.4 | 572.1 | +3 | | |
| | einsum (réf) | 4 | 160 | 584.7 | 1126.6 | 0 | | |
| | einsum (réf) | 8 | 320 | — | — | crash natif (commit) | | |
| | cumsum | 2 | 80 | 322.4 | 799.1 | −8 | | |
| | cumsum | 4 | 160 | — | — | crash natif (commit) | | |
| | chunked | 2 | 80 | **12.3** | **31.9** | 0 | | |
| | chunked | 4 | 160 | **23.0** | **72.4** | 0 | | |
| | chunked | 8 | 320 | **40.5** | **150.0** | −10 | | |
| Lecture honnête de ces chiffres : | |
| - **Chunked vs einsum à B égal** : ×21.7 (fwd) et ×17.9 (fwd+bwd) à B=2 ; | |
| ×25.4 / ×15.6 à B=4. | |
| - **Mémoire** : einsum et cumsum matérialisent le tenseur (G, C, dH, dH) | |
| (~0.34 GB à G=160, ~1.3 GB à G=320, multiplié par les buffers de | |
| backward). Sur cette machine au commit mémoire limité ils segfaultent | |
| (rc=3221225477) dès G≥160–320 ; chunked est memory-flat ((G, block²+dH²)) | |
| et traverse toutes les tailles testées. C'est exactement la propriété qui | |
| déverrouille BATCH≥8 + torch.compile sur pod. | |
| - **Cumsum sur CPU est plus lent qu'einsum** : l'einsum masqué descend en | |
| bmm BLAS très optimisé, tandis que le scan élément-par-élément est | |
| borné par la bande passante. La réduction de FLOPs O(C²·dH²)→O(C·dH²) | |
| se paie réellement sur GPU/compile, pas sur ce CPU — c'est pour ça que | |
| le défaut repo reste `cumsum` (mathématiquement prouvé, sémantique | |
| simple) et que la recommandation pod passe directement à `chunked`. | |
| - Les timings absolus CPU ne se transfèrent pas à CUDA ; ce qui se | |
| transfère : l'ordre relatif des kernels, le profil mémoire, et le fait | |
| mesuré que chunked scale là où la référence explose. Bench GPU à faire | |
| sur pod (même script). | |
| End-to-end moteur CPU (bench_engine.py, d=128, 2 blocs, E8, B=8, SEQ=128, | |
| 20 steps) : | |
| | Kernel | tok/s | | |
| |---|---| | |
| | cumsum (défaut) | 703 | | |
| | chunked | 764 (+8.7 %) | | |
| ## 5. Tests | |
| ```bash | |
| py -m pytest tests/ -q # 44 passed = suite repo (28) + équivalences (14) + smoke v2 (2) | |
| py benchmarks/bench_attention.py --iters 8 | |
| py benchmarks/bench_engine.py --steps 20 | |
| ``` | |
| Statut : **44/44 passent** (2026-08-23). Les deux preuves moteur | |
| (`test_engine_tick_chunk_train_ce_matches_train`, | |
| `test_engine_end_to_end_chunk_equivalence`) exigent le clonage explicite des | |
| poids (`load_state_dict`) entre instances comparées — deux constructions sous | |
| un même seed ont des poids DIFFÉRENTS, piège documenté dans les docstrings. | |
| --- | |
| *Document généré pendant la session d'optimisation 2026-08-22/23. | |
| Règle : ne jamais merger dans fractus-cte sans que la section 4 soit remplie.* | |