Automated Algorithm Design for Auto-Tuning Optimizers

TL;DR

使用大型语言模型生成优化算法,平均性能提升72.4%。

cs.LG 🔴 高级 2025-10-19 5 次浏览
Floris-Jan Willemsen Niki van Stein Ben van Werkhoven
自动调优 优化算法 大语言模型 性能提升 高性能计算

核心发现

方法论

本文提出了一种新的自动算法设计框架,利用大型语言模型(LLM)生成针对自动调优问题的优化算法。框架通过提供问题描述和搜索空间特征来引导LLM生成、测试和迭代优化算法。生成的算法在四个实际应用和六种硬件平台上进行了评估,并与两种当代自动调优框架中的最先进方法进行了比较。

关键结果

  • 生成的优化算法在提供附加的应用和搜索空间信息时,平均性能分别提高了30.7%和14.6%。
  • LLM生成的优化器在某些情况下优于现有的人工设计算法,最佳生成算法平均性能提升72.4%。
  • 在四个真实世界的自动调优应用中,LLM生成的算法在六种硬件平台上表现出色。

研究意义

该研究展示了利用LLM自动生成优化算法的潜力,显著提高了自动调优的效率和性能。这一方法减少了对专家设计启发式方法的依赖,能够快速设计出问题特定的优化器,解决了传统方法在处理大规模、噪声、不规则搜索空间时的局限性。

技术贡献

本文的技术贡献在于提出了一种新颖的框架,结合LLM和进化算法自动生成优化算法,显著提高了搜索效率和鲁棒性。通过在Kernel Tuner框架中集成最佳生成算法,用户可以直接受益于这一技术进步。

新颖性

这是首次系统性地研究在自动调优背景下应用自动算法设计。与现有工作不同,本文不依赖于人工设计的算法模板,而是允许LLM提出全新的优化策略。

局限性

  • 生成的算法在某些复杂的搜索空间中可能表现不佳,尤其是在搜索空间特征不明确的情况下。
  • LLM生成的代码可能包含错误或低效实现,需通过进化算法筛选。
  • 在某些情况下,生成的算法可能需要大量计算资源。

未来方向

未来的研究方向包括扩展框架以支持更多类型的优化问题,探索LLM生成算法在其他领域的应用,以及改进生成算法的效率和鲁棒性。

AI 总览摘要

自动性能调优是高性能计算中优化应用性能的关键技术。传统的自动调优器依赖于进化、退火或代理优化器,但在处理大规模、噪声、不规则的搜索空间时面临挑战。本文提出了一种新的范式:利用大型语言模型(LLM)自动生成针对自动调优问题的优化算法。通过在生成阶段提供附加的应用和搜索空间信息,生成的算法在四个实际应用和六种硬件平台上表现出色,平均性能提升72.4%。

该框架结合了Kernel Tuner和LLaMEA框架,后者将LLM与进化算法结合,自动生成元启发式算法。生成的算法在四个真实世界的自动调优应用中进行了评估,结果表明LLM生成的优化器在某些情况下优于现有的人工设计算法。所有代码和数据均已在GitHub上公开。

尽管该方法展示了显著的性能提升,但生成的算法在某些复杂的搜索空间中可能表现不佳,尤其是在搜索空间特征不明确的情况下。未来的研究方向包括扩展框架以支持更多类型的优化问题,并探索LLM生成算法在其他领域的应用。

深度分析

研究背景

自动性能调优是高性能计算中的关键技术,能够在不同硬件架构和输入规模下提高应用的性能和能效。传统方法如进化算法、模拟退火和粒子群优化等需要精心的超参数调优,并未针对自动调优的搜索空间特征进行设计。近年来,大型语言模型在代码生成、算法合成和问题解决方面展示了显著的能力。

核心问题

自动调优面临的核心问题是如何在大规模、噪声、不规则的搜索空间中高效地找到近似最优配置。传统方法在处理这些复杂搜索空间时效率低下,且需要大量的经验和调优。

核心创新

本文提出了一种新颖的框架,利用LLM自动生成优化算法。该框架通过提供问题描述和搜索空间特征,引导LLM生成、测试和迭代优化算法。与现有方法不同,本文不依赖于人工设计的算法模板,而是允许LLM提出全新的优化策略。

方法详解

  • �� 使用LLM生成初始优化算法候选。
  • �� 在Kernel Tuner中评估每个候选算法的性能。
  • �� 使用进化算法选择高性能算法进行再生成。
  • �� 通过LLM驱动的变异操作生成新候选算法。
  • �� 重复评估和选择过程,直到达到预定的代数或评估预算。

实验设计

实验在四个实际应用和六种硬件平台上进行,使用BAT基准套件中的GPU内核。评估指标包括平均性能提升和与最先进方法的比较。实验设计考虑了不同的基准、硬件和输入数据,以确保结果的广泛适用性。

结果分析

实验结果表明,提供附加的应用和搜索空间信息时,生成的算法平均性能分别提高了30.7%和14.6%。最佳生成算法在四个实际应用中表现出色,平均性能提升72.4%。

应用场景

该方法可用于高性能计算中的自动调优,尤其是在需要快速设计问题特定优化器的场景中。它减少了对专家设计启发式方法的依赖,提高了调优效率和性能。

局限与展望

生成的算法在某些复杂的搜索空间中可能表现不佳,尤其是在搜索空间特征不明确的情况下。此外,LLM生成的代码可能包含错误或低效实现,需通过进化算法筛选。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一个巨大的迷宫中寻找出口,传统的方法就像是拿着一张旧地图,试图找到最佳路径。大型语言模型就像是一个聪明的向导,它可以根据迷宫的特点为你设计一条全新的路线。这个向导不仅能快速找到出口,还能根据不同的迷宫特征调整策略。通过这种方式,我们可以更高效地找到最佳路径,而不需要依赖于旧地图的经验。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象一下,你在玩一个超级复杂的迷宫游戏。传统的方法就像是用一张旧地图来找到出口,但有时候地图不太准确。现在,有一个超级聪明的AI助手,它可以根据迷宫的不同特点为你设计一条全新的路线!这个助手不仅能帮你快速找到出口,还能根据不同的迷宫特征调整策略。是不是很酷?

术语表

自动调优 (Auto-Tuning)

自动调优是指通过系统地探索不同配置来优化应用性能的过程。

在高性能计算中用于优化应用性能。

大型语言模型 (LLM)

大型语言模型是一种使用大量数据训练的AI模型,能够生成自然语言文本。

用于生成优化算法。

进化算法 (Evolutionary Algorithm)

进化算法是一种基于自然选择的优化算法,通过选择、交叉和变异来寻找最优解。

用于选择和生成高性能算法。

Kernel Tuner

Kernel Tuner是一个用于优化计算内核的Python框架,支持多种编程后端。

用于评估生成的优化算法。

搜索空间 (Search Space)

搜索空间是指所有可能配置的集合,优化算法在其中寻找最优解。

自动调优中需要探索的配置集合。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更广泛的领域中应用LLM生成的优化算法?
  • 2 生成算法在极端复杂搜索空间中的表现如何?
  • 3 如何进一步提高生成算法的效率和鲁棒性?

应用场景

近期应用

高性能计算优化

可以立即用于高性能计算中的自动调优,提高应用性能和能效。

AI模型优化

可用于优化AI模型的超参数,提高模型的准确性和效率。

远期愿景

通用优化器设计

未来可能用于设计通用优化器,适用于各种复杂问题。

原文摘要

Automatic performance tuning (auto-tuning) is essential for optimizing high-performance applications, where vast and irregular search spaces make manual exploration infeasible. While auto-tuners traditionally rely on classical approaches such as evolutionary, annealing, or surrogate-based optimizers, designing algorithms that efficiently find near-optimal configurations robustly across diverse tasks is challenging. We propose a new paradigm: using large language models (LLMs) to automatically generate optimization algorithms tailored to auto-tuning problems. We introduce a framework that prompts LLMs with problem descriptions and search space characteristics to synthesize, test, and iteratively refine specialized optimizers. These generated algorithms are evaluated on four real-world auto-tuning applications across six hardware platforms and compared against the state-of-the-art in two contemporary auto-tuning frameworks. The evaluation demonstrates that providing additional application- and search space-specific information in the generation stage results in an average performance improvement of 30.7% and 14.6%, respectively. In addition, our results show that LLM-generated optimizers can rival, and in various cases outperform, existing human-designed algorithms, with our best-performing generated optimization algorithms achieving an average 72.4% improvement over state-of-the-art optimizers for auto-tuning.

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