使能double buffer

【优先级】中

【描述】执行于AI Core上的指令队列主要包括如下几类，Vector指令队列（V）、Cube指令队列（M）、Scalar指令队列（S）和搬运指令队列（MTE1/MTE2/MTE3）。不同指令队列间的相互独立性和可并行执行特性，是double buffer优化机制的基石。

以纯Vector计算为例，矢量计算前后的CopyIn、CopyOut过程使用搬运指令队列（MTE2/MTE3），Compute过程使用Vector指令队列（V），不同指令队列可并行执行，意味着CopyIn、CopyOut过程和Compute过程是可以并行的。如图1所示，考虑一个完整的数据搬运和计算过程，CopyIn过程将数据从Global Memory搬运到Local Memory，Vector计算单元完成Compute计算后，经过CopyOut过程将计算结果搬回Global Memory。

图1 数据搬运与Vector计算过程
图2 未使能double buffer的流水图

在此过程中，数据搬运与Vector计算串行执行，Vector计算单元无可避免存在资源闲置问题，假设CopyIn、Compute、CopyOut三阶段分别耗时相同均为t，则Vector的利用率仅为1/3，等待时间过长，Vector利用率严重不足。

为减少Vector等待时间，使能double buffer机制将待处理的数据一分为二，比如Tensor1、Tensor2。如图3所示，当Vector单元对Tensor1中数据进行Compute计算时，Tensor2数据流可以执行CopyIn的过程；而当Vector切换到计算Tensor2时，Tensor1数据流可以执行CopyOut的过程。由此，数据的进出搬运和Vector计算实现并行执行，Vector闲置问题得以有效缓解。

总体来说，double buffer是基于MTE指令队列与Vector指令队列的独立性和可并行性，通过将数据搬运与Vector计算并行执行以隐藏大部分的数据搬运时间，并降低Vector指令的等待时间，最终提高Vector单元的利用效率。通过为队列申请内存时设置内存块的个数为2，使能double buffer，实现数据并行，简单代码示例如下：

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pipe.InitBuffer(inQueueX, 2, 256);
图3 double buffer机制
图4 使能double buffer的流水图

需要注意：

多数情况下，采用double buffer能有效提升Vector的利用率，缩减算子执行时间。然而，double buffer机制缓解Vector闲置问题，并不代表它总能带来明显的整体性能提升。例如：

因此，double buffer的使用需综合考虑Vector算力、数据量大小、搬运与计算时间占比等多种因素。

【反例】

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__aicore__ inline void Init(__gm__ uint8_t* src0Gm, __gm__ uint8_t* src1Gm, __gm__ uint8_t* dstGm)
{
    src0Global.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)src0Gm);
    src1Global.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)src1Gm);
    dstGlobal.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)dstGm);
    // 不使能double buffer,占用的物理空间是1 * sizeSrc0 * sizeof(half)
    // 3个InitBuffer执行后总空间为1 * (sizeSrc0 * sizeof(half) + sizeSrc1 * sizeof(half) + sizeDst0 * sizeof(half)) 
    pipe.InitBuffer(inQueueSrc0, 1, sizeSrc0 * sizeof(half));
    pipe.InitBuffer(inQueueSrc1, 1, sizeSrc1 * sizeof(half));
    pipe.InitBuffer(outQueueDst, 1, sizeDst0 * sizeof(half));
    }
__aicore__ inline void Process()
{
    // 需要round*2次循环才能处理完数据
    for (uint32_t index = 0; index < round * 2; ++index) {
        CopyIn(index);
        Compute();
        CopyOut(index);
    }
}

【正例】

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__aicore__ inline void Init(__gm__ uint8_t* src0Gm, __gm__ uint8_t* src1Gm, __gm__ uint8_t* dstGm)
{
    src0Global.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)src0Gm);
    src1Global.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)src1Gm);
    dstGlobal.SetGlobalBuffer((__gm__ half*)dstGm);
    // InitBuffer中使用2表示使能double buffer,占用的物理空间是2 * sizeSrc0 * sizeof(half)
    // 3个InitBuffer执行后总空间为2 * (sizeSrc0 * sizeof(half) + sizeSrc1 * sizeof(half) + sizeDst0 * sizeof(half)) 
    pipe.InitBuffer(inQueueSrc0, 2, sizeSrc0 * sizeof(half));
    pipe.InitBuffer(inQueueSrc1, 2, sizeSrc1 * sizeof(half));
    pipe.InitBuffer(outQueueDst, 2, sizeDst0 * sizeof(half));
    }
__aicore__ inline void Process()
{
    // 开启double buffer的前提是循环次数 >= 2
    for (uint32_t index = 0; index < round; ++index) {
        CopyIn(index);
        Compute();
        CopyOut(index);
    }
}
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