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matmul-analysis/BMM/BMM_Theory/README.md
admin b0b48b9073 Fix #36: MergeBatch 合并搬移效率收益建模 (move_eff) + t_cmd_ns 置 0 
用户澄清: MergeBatch vs IterBatch 的本质区别不只是 DMA 命令数 —— 合并 b0 个
batch 的左/右矩阵一起搬入 L1, 使单块 tile = nValue*dValue*dt 放大 b0 倍 (堆叠
方向视转置: A ND 非转置沿 M(nValue), B ND 非转置沿 N(dValue)), 搬移效率更高,
即便 T_cmd=0 也有效益。

- models.move_eff: 单命令搬移效率 eff = min(1, tile/min_TileSize) (16KB 饱和,
  与进入条件4效率下限语义同源); gm_move_time 按 A/B 两侧字节加权
  t = (V_A/eff_A + V_B/eff_B)/BW_gm; 只影响时间列, GM 字节量仍 = V_in
- IterBatch: l1_form 补驻留侧返回; move_tiles 分侧口径 (a/b 双侧整K, c 驻留侧
  整K+对侧k_l1, d 双侧k_l1), evaluate 接入效率加权
- MergeBatch: 合并 tile 放大 b0 倍接入效率加权; beats_iterbatch 净收益 =
  命令节省(cmds差×T_cmd) + 效率节省(t_data差) − drain惩罚, K截断且效率打平且
  T_cmd>0 时严格退化为 v1.1 §4.5 闭式; 退役 T_cmd<=0 策略特判
- router: 退役 "T_cmd<=0 策略优先 MergeBatch" 覆盖, 时延模型统一终审
- hardware: t_cmd_ns 50 -> 0 (未标定按 0; 合并收益不再依赖 T_cmd 估计值)
- 作用域: 仅切B 两分支接入 (逐命令 tile 小、效率差显著); ASW/StreamK 单命令
  tile 通常已饱和, 极端小 tile 走 issue#34 效率降级标注通道
- 用户 case 家族 B=128,M=1~16,N=128,K=512: m=1~8 -> MergeBatch (效率节省
  ~0.61us > drain), m=16 -> IterBatch (iter A tile 恰达 16KB 饱和, 效率打平,
  drain 决定); 分界与时延全家族一致
- demo: merge_demo_k_trunc 形状 (2048,32,32,256)->(2048,16,64,128) (原形状
  两侧 tile 均已 16KB 饱和, t_cmd=0 下无收益转 IterBatch; 新形状 iter A tile
  4KB eff=0.25 vs 合并 16KB eff=1.0, 保持 MergeBatch 胜出演示且仍 K截断)
- 测试: 74/74 (新增 TestIssue36 5 例: 效率曲线/字节不变/效率差胜出/家族;
  TestArbitration/TestZeroCmdHandling 按 t_cmd=0+效率语义重写; TestIssue35
  家族期望更新)
- 文档: 01_MergeBatch §4/§5 效率模型+泛化净收益; 02_IterBatch 口径注;
  00_总纲胜出条件; 01_软件架构 T_cmd 标定说明; 05 时间列效率口径注; README 要点
- 验证: examples 重生成可复现 0 diff; 压力 10000 例 0 崩溃/0 NaN/0 违规/
  0 GM<V_in, 七分支覆盖 (MergeBatch 386 例)
2026-09-07 21:09:49 +08:00

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# BMM_Theory — batch_mat_mul_v3 理论最优实现分析软件
> 目标芯片: Ascend950PR (DAV_3510) | 算子: batch_mat_mul_v3 | 实现: Python 3
>
> 理论依据: 《BMM算子优化分析 v0.98》《MergeBatch_vs_IterBatch分析 v1.1》《BMM尾轮处理策略对比分析 v1.5》
## 这是什么
对任意 BMM (BatchMatMul) case, 回答两个问题:
1. **理论最优实现方案是什么** —— 该走哪个分支 (转Matmul/特殊分支/MergeBatch/IterBatch/StreamK/ASW_Basic), 核间怎么切, 核内 tile 怎么取, Cache/流水怎么配;
2. **这个实现方案在 NPU 上跑得怎么样** —— 各级硬件 (MTE2 搬入 / Cube 计算 / Fixpipe 搬出 / StreamK 归约) 时延多少, 谁是瓶颈, 怎么优化.
与 ops-nn 源码的关系: 源码是"当前实现", 本软件是"理论最优"——用于评估源码方案离理论上限有多远、瓶颈在哪里.
## 快速上手
```bash
# 无需安装, 在项目根目录直接运行 (Python >= 3.8, 仅标准库)
# 模式 1: 方案推荐 —— 输入 case, 输出理论最优方案 + 时延评估
python -m bmm_theory recommend examples/cases_demo.csv -o result.csv --plans plans.csv -v
# 模式 2: 方案评估 —— 输入 case + 自己的实现方案, 评估硬件表现与瓶颈
python -m bmm_theory evaluate examples/cases_demo.csv examples/plans.csv -o eval.csv -v
# 跑单元测试
python -m unittest discover -s tests -v
```
### case 输入 csv 格式
| 列名 | 含义 | 缺省 |
|---|---|---|
| case_id | 标识 | case_行号 |
| batch_a, batch_b | A/B 的 batch 维 | 1 |
| m, n, k | 矩阵维度 | 1 |
| dtype_a, dtype_b, dtype_c | 数据类型 (bf16/fp16/fp8/fp32) | bf16 |
| trans_a, trans_b | 是否转置 | 0 |
| has_bias | 是否有 bias | 0 |
| deterministic_level | 确定性等级 (>=2 禁用 StreamK) | 0 |
`examples/cases_demo.csv` 里有一份覆盖各分支的示例.
### 输出
- `result.csv`: 每行一个 case —— case 参数 + `plan_*` 方案字段 + 时延评估 (`t_mte2/t_mmad/t_fixpipe/t_total` 等, 单位秒) + `bottleneck` 瓶颈级 + `bound_type` Bound 类型 + `advice` 仲裁过程与优化建议;
- `plans.csv` (可选): 纯方案表, 标准结构体 `ImplPlan` 的全部字段, 可直接作为模式 2 的输入.
### 时延模型要点 (读结果前必看)
- **GM 是读写共享总线 (1.6TB/s)**: MTE2 的 GM 读与 Fixpipe 直写 GM 并发时按 **(读+写)/1.6TB/s 累加**计入 MTE2 搬移链 (issue#23);
- **搬入 MTE2 分两段、同链相加**: `t_mte2_gm` (首读按 GM 带宽; 随路驻留 L2 不重复累加) + `t_mte2_l2` (共享块驻留 L2 后被其它核重复读, 按 L2 读口 5.2TB/s) + DMA 命令开销 (issue#24; **T_cmd 默认 0**, 未标定按 0 处理, issue#36);
- **搬移效率模型 (issue#36)**: 切B 两分支 (IterBatch/MergeBatch) 的 GM→L1 数据时延按单命令 tile 效率加权 —— eff = min(1, tile/min_TileSize), tile = nValue×dValue×dtype 达 16KB 饱和; **MergeBatch 合并 b0 个 batch 使单块 tile 放大 b0 倍, 即便 T_cmd=0 也比 IterBatch 逐 batch 搬移效率高** (堆叠方向视转置: A ND 非转置沿 M(nValue), B ND 非转置沿 N(dValue)); 只影响时间列, GM 字节量不变;
- **Cube 计算** `t_mmad`: 芯片算力 ≈486 TFLOPS (单核 ≈15.2 TFLOPS), MergeBatch 冗余计算计入;
- **Fixpipe 搬出**: 直写 GM 计入 GM 共享总线; 驻留 L2 走 5.2TB/s 写口 (独立计时); 数据量按 **C 矩阵 dtype** 计 (fp16/fp8 随路转换减半); StreamK 部分和按 4B (L0C dtype);
- **总时延** `t_total = max(MTE2搬移链, MMAD, Fixpipe-L2) + t_drain` (稳态取最大 + 末级排空暴露; REDUCE 串行追加);
- **GM 读取下限**: 每输入字节至少从 GM 读一次 (R1); L2 只吸收"驻留后的再次读取"; 整 case 输入+输出 ≤ L2 时 GM 恰读一次、输出全驻留 L2 (issue#29 设计文档 docs/05);
- **Fixpipe 输出落点**: 整 case (输入+输出+workspace) 可驻留 L2 → 输出写 L2 写口 5.2TB/s、GM 写流量 0; 否则输入优先保 L2, 输出直写 GM 计入共享总线 (issue#30);
- **算力按输入 dtype**: Cube BF16/FP16 486TFLOPS 为基准, fp8=2x/fp4=4x (白皮书), fp32=1/2 (假设待标定); AIV 逐元素通量同理 (issue#28);
- **瓶颈交换**: 搬移瓶颈可牺牲算力换搬移效率 (MergeBatch), 计算瓶颈可牺牲搬移换计算效率 (ASW_Basic 切 M/N).
## 目录结构
```
BMM_Theory/
├── README.md # 本文档 (用法)
├── bmm_theory/ # 软件包
│ ├── __main__.py # CLI 入口 (recommend / evaluate)
│ ├── models.py # 数据模型: BmmCase / ImplPlan(标准结构体) / HardwareTiming
│ ├── hardware/ascend950pr.py# 950PR 硬件参数表 (换芯片只换这份)
│ ├── timing.py # 时延评估引擎 (MTE2/Cube/Fixpipe/Reduce 模型)
│ ├── constraints.py # 单一约束源 (生成与校验共用, L0C/L0A/L0B/L1/dValue/核数)
│ ├── router.py # 分支决策路由 + 重叠区仲裁 + 生成后自检
│ ├── evaluator.py # 方案评估器 (约束校验 + 瓶颈分析)
│ ├── io_csv.py # csv 输入输出
│ └── branches/ # 六分支理论脚本 (全部已实现)
│ ├── merge_batch.py # MergeBatch
│ ├── iter_batch.py # IterBatch (a/b/c/d 四形态)
│ ├── to_matmul.py # 转Matmul
│ ├── special.py # 特殊分支 (K=0/1, AIV 通路)
│ ├── stream_k.py # StreamK (切K + 归约)
│ └── asw_basic.py # ASW_Basic (含降核/swizzle/L2分组/尾轮决策)
├── docs/ # 文档 (架构 + 理论梳理 + 软件测评)
│ ├── 01_软件架构.md
│ ├── 02_分支理论/
│ │ ├── 00_总纲_分支决策树.md
│ │ ├── 01_MergeBatch分支.md
│ │ ├── 02_IterBatch分支.md
│ │ ├── 03_转Matmul分支.md
│ │ ├── 04_特殊分支.md
│ │ ├── 05_StreamK分支.md
│ │ ├── 06_ASW_Basic分支.md # 尾轮策略已内化为其必要环节
│ │ └── 07_尾轮处理策略.md # 尾轮完整推导 (参考)
│ └── 03_测评报告/ # 外部测评报告 (v1.0/v2.0 及后续复评)
│ └── 05_L2驻留GM读写与dtype算力口径_设计分析.md # GM/L2/输出落点/dtype算力统一口径 (issue#27-#30)
├── examples/ # 示例输入输出
└── tests/ # 单元测试 (固化文档边界 case + issue 回归)
```
**Python 版本**：实测通过 3.12（本机）与 3.14（测评环境）；代码用 `from __future__ import annotations` 兜底注解，逻辑仅用标准库。建议 3.10+。
## 当前进度与路线图
| 分支 | 进入条件 | 方案生成 | 时延评估 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| MergeBatch | ✅ | ✅ | ✅ | 完成 |
| IterBatch (a/b/c/d 四形态) | ✅ | ✅ | ✅ | 完成 |
| 转Matmul | ✅ | ✅ (折叠+粗估) | ✅ (粗估) | 完成, 折叠后 Matmul 精切待 MM 体系打通 |
| 特殊分支 (K=0/1) | ✅ | ✅ | ✅ | 完成 |
| StreamK | ✅ | ✅ | ✅ (含归约) | 完成 |
| ASW_Basic (含降核/swizzle/L2分组/尾轮决策) | ✅ | ✅ | ✅ | 完成, 尾轮已内化 (默认方案B, 周长型A1b) |
## 设计原则
1. **以理论分析文档为准**——源码实现仅作对照, 不作为依据;
2. **参数表与逻辑分离**——换芯片只换 `hardware/` 下的参数表, 分支逻辑不动;
3. **结构体标准化**——`ImplPlan` 是推荐输出与评估输入的统一格式, 字段与理论文档符号一一对应;
4. **可验证**——文档中的典型边界 case 全部固化进 `tests/`, 改动不破结论.
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