MCCL 概览

摩尔线程集合通信库（MCCL）可实现针对摩尔线程 GPU 和网络进行性能优化的多 GPU 和多节点通信基元。MCCL 提供了 AllReduce、Broadcast、Reduce、AllGather、ReduceScatter、AlltoAll、Gather、Scatter 以及点对点 send/receive 等原语，这些原语均经过优化，可通过节点内的 PCIe 和 MTLink 高速互联以及节点间的 InfiniBand 网络实现高带宽和低延迟。

MCCL 支持节点内和跨节点通信，可以实现拓扑的自动检测，计算最优路径，最终实现 GPUs 之间的高效传输。

MCCL 特性

• 拓扑感知：自动检测 GPU 拓扑，计算最优通信路径
• 高带宽低延迟：针对 PCIe、MTLink、InfiniBand 优化
• 多种原语：AllReduce、Broadcast、Reduce、AllGather、ReduceScatter、AlltoAll、Gather、Scatter、P2P Send/Receive
• 易于集成：简单的 C API，遵循 MPI 集体通信规范
• stream 集成：接受 MUSA stream 参数，与 MUSA 编程模型直接集成
• 多编程模型：支持单线程多卡、多线程（每 GPU 一线程）、多进程（MPI）
• 可扩展的 2.4 主机侧管理能力：支持通信器能力查询、动态扩容、通信器内存管理和 RMA signal

主要能力补充

当前文档覆盖的 MCCL 能力主要集中在以下几类：

• 通信器能力探测：支持 mcclCommQueryProperties，用于查询 deviceApiSupport、multimemSupport、ginType、hostRmaSupport、nLsaTeams 等属性
• 通信器动态扩容：支持 mcclCommGetUniqueId 和 mcclCommGrow
• 通信器内存管理：支持 mcclCommSuspend、mcclCommResume、mcclCommMemStats
• 对称窗口辅助接口：支持 mcclWinGetUserPtr、mcclGetLsaDevicePointer
• RMA signal API：支持 mcclPutSignal、mcclSignal、mcclWaitSignal

如果你是从 2.1 升级，建议先阅读 迁移指南。

MCCL 框架

图 1 MCCL 框架图

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节点内通信

节点内 GPU 之间进行数据传输，主要的物理介质是 PCIe 和 MTLink，涉及到的主要技术有 GPUDirect P2P。GPUDirect P2P 避免数据通过 CPU 进行中转，降低延时，同时可以利用 GPU 高速互联的带宽。

图 2 PCIe 的 P2P 示意图

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跨节点通信

节点间 GPU 进行数据传输，主要的物理介质有普通以太网或者 InfiniBand，涉及的技术有 GPUDirect RDMA。

图 3 跨节点传输

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MCCL 支持的集合通信

Broadcast

Broadcast 将数据从一个 GPU（根 GPU）分发到所有 GPU。所有 GPU 的内容和根 GPU 的内容一致。

图 4 Broadcast 运算示意图

Reduce

Reduce 把所有 GPU 的数据聚合到一个 GPU，并对数据进行指定的规约操作。所有 GPU 必须发送同等大小的数据。此外，数据必须以能够执行 reduce 操作的方式进行对齐。MCCL 支持五种操作：Sum、Product、Max、Min、Avg。所有 GPU 规约计算的结果会压缩到根 GPU。

图 5 Reduce 运算示意图

AllGather

AllGather 收集所有 GPU 的数据，并发送到所有 GPU。所有发送的数据块大小必须相同。目的 GPU 的数据由每个 GPU 组合而成。

图 6 AllGather 运算示意图

AllReduce

AllReduce 的操作和 Reduce 一样，但是需要向所有 GPU 发送相同的数据。

图 7 AllReduce 运算示意图

ReduceScatter

ReduceScatter 操作和 AllReduce 类似，不同的是最终发送到所有 GPU 上的是数据的一列。

图 8 ReduceScatter 运算示意图

AlltoAll

AlltoAll 操作中，每个 GPU 都会向所有其他 GPU 发送相同大小的一段数据，同时从所有其他 GPU 接收相同大小的一段数据。

Gather

Gather 操作把所有 GPU 的数据收集到一个 root GPU。每个 GPU 发送相同大小的数据块，root GPU 按 rank 顺序接收并拼接这些数据块。

Scatter

Scatter 操作与 Gather 相反，由 root GPU 向所有 GPU 分发数据。root GPU 发送给每个 GPU 的数据块大小相同，各 GPU 接收属于自己的那一段数据。

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MCCL 使用实例

单线程多卡

下面的例子展示单线程使用 MCCL 进行多卡计算，将多卡的算力充分利用起来。

#include <stdio.h>
#include "musa_runtime.h"
#include "mccl.h"
 
#define MUSACHECK(cmd) do {                         \
  musaError_t err = cmd;                            \
  if (err != musaSuccess) {                         \
    printf("Failed: MUSA error %s:%d '%s'\n",       \
        __FILE__,__LINE__,musaGetErrorString(err)); \
    exit(EXIT_FAILURE);                             \
  }                                                 \
} while(0)
 
 
#define MCCLCHECK(cmd) do {                         \
  mcclResult_t res = cmd;                           \
  if (res != mcclSuccess) {                         \
    printf("Failed, MCCL error %s:%d '%s'\n",       \
        __FILE__,__LINE__,mcclGetErrorString(res)); \
    exit(EXIT_FAILURE);                             \
  }                                                 \
} while(0)
 
 
int main(int argc, char* argv[])
{
  mcclComm_t comms[4];
 
  //managing 4 devices
  int nDev = 4;
  int size = 32*1024*1024;
  int devs[4] = { 0, 1, 2, 3 };
 
 
  //allocating and initializing device buffers
  float** sendbuff = (float**)malloc(nDev * sizeof(float*));
  float** recvbuff = (float**)malloc(nDev * sizeof(float*));
  musaStream_t* s = (musaStream_t*)malloc(sizeof(musaStream_t)*nDev);
 
 
  for (int i = 0; i < nDev; ++i) {
    MUSACHECK(musaSetDevice(i));
    MUSACHECK(musaMalloc(sendbuff + i, size * sizeof(float)));
    MUSACHECK(musaMalloc(recvbuff + i, size * sizeof(float)));
    MUSACHECK(musaMemset(sendbuff[i], 1, size * sizeof(float)));
    MUSACHECK(musaMemset(recvbuff[i], 0, size * sizeof(float)));
    MUSACHECK(musaStreamCreate(s+i));
  }
 
 
  //initializing MCCL
  MCCLCHECK(mcclCommInitAll(comms, nDev, devs));
 
 
  //calling MCCL communication API. Group API is required when using
  //multiple devices per thread
  MCCLCHECK(mcclGroupStart());
  for (int i = 0; i < nDev; ++i)
    MCCLCHECK(mcclAllReduce((const void*)sendbuff[i], (void*)recvbuff[i], size, mcclFloat, mcclSum,
        comms[i], s[i]));
  MCCLCHECK(mcclGroupEnd());
 
  //synchronizing on MUSA streams to wait for completion of MCCL operation
  for (int i = 0; i < nDev; ++i) {
    MUSACHECK(musaSetDevice(i));
    MUSACHECK(musaStreamSynchronize(s[i]));
  }
 
  //free device buffers
  for (int i = 0; i < nDev; ++i) {
    MUSACHECK(musaSetDevice(i));
    MUSACHECK(musaFree(sendbuff[i]));
    MUSACHECK(musaFree(recvbuff[i]));
  }
 
  //finalizing MCCL
  for(int i = 0; i < nDev; ++i)
      mcclCommDestroy(comms[i]);
 
  printf("Success \n");
  return 0;
}

MCCL 还有其他的使用方式，如：

• 多线程：每个 GPU 使用一个线程
• 多进程：MPI 与 GPU 上的多线程操作相结合

具体可以参考 MCCL 的 示例部分。

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FAQ

多任务并行因 GPU 资源竞争导致死锁

错误描述：多个任务并行，每个任务同时使用多卡进行分布式计算或通信，且必须进行多卡间同步时，有可能发生因 GPU 计算资源竞争而导致的死锁。比如任务 1 和任务 2（可以是 process、thread、stream）都同时使用 GPU0-7 进行计算或通信，每个 Step 都需要进行一次 8 卡同步，则有可能出现以下死锁情景：

• 任务 1 优先抢占到 GPU 0、1、2、3 资源，成功启动 Kernel1，但在 GPU 4、5、6、7 上，Kernel1 等待调度，同步被阻塞。
• 任务 2 优先抢占到 GPU 4、5、6、7 资源，成功启动 Kernel2，但在 GPU 0、1、2、3 上，Kernel2 等待调度，同步被阻塞。

解决方法：应用侧保证各 GPU 上的调度时序，以确保任务 1 或任务 2 同时在所有 GPU 上被优先调度。具体如下：

• 任务 1 及任务 2，在同一块 GPU 上，使用同一个 musa MUSA stream 以保证 kernel 调度串行化，同时所有 GPU 上，使用相同的调度时序，即 Kernel1-Kernel2 或 Kernel2-Kernel1。
• 在不同任务间添加 barrier，确保任务间串行占用 GPU 资源，即任务 1-设备同步 - 任务 2。