docs: Phase 17 tensor parallelism design

Megatron-style TP for Qwen3 on the 8x5090 (no-NVLink, PCIe) box: column/row
split per layer, 2 AllReduces/layer, multi-thread one-rank-per-GPU model,
NCCL, sharded weights, and the incremental implementation + verification plan.

Co-Authored-By: Claude Opus 4.7 <noreply@anthropic.com>
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2026-05-29 11:10:03 +08:00
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# Phase 17: Tensor Parallelism (TP)
> 目标:在单机多卡上做 **张量并行**,把 Qwen3-8B 的权重、计算和 KV cache 按
> head / 中间维切分到 TP 个 GPU 上,用 AllReduce 聚合,降低单卡显存压力并提升吞吐。
> 先做 **TP=2 / 4组内**,跳过投机解码(原 Phase 16
## 1. 硬件约束dash5
- 8× RTX 509032GBSM120**无 NVLink**,纯 PCIe Gen5。
- 拓扑GPU 03 一组、47 一组,组内 `PHB`(同 host bridge可 P2P跨组 `NODE`
- **TP 必须在组内**03 或 47否则 AllReduce 走跨组 PCIe延迟更高。
- AllReduce 带宽受限于 PCIe~单向 64GB/s远低于 NVLink通信会是 decode 的主要开销。
## 2. 切分方案Megatron-style
Qwen3-8B`hidden=4096``num_heads=32``num_kv_heads=8``head_dim=128`
`intermediate=12288``layers=36``vocab=151936`。TP=2/4/8 都能整除 32/8/12288。
每个 transformer block 的切分(设 world size = `T`,本 rank = `r`
### Attentioncolumn → row
| 权重 | 原 shape (已转置) | 切分 | 每 rank shape |
|------|-------------------|------|---------------|
| `q_proj_wt` | `[hidden, num_heads·head_dim]` | column按 Q head | `[hidden, (num_heads/T)·head_dim]` |
| `k_proj_wt` | `[hidden, num_kv_heads·head_dim]` | column按 KV head | `[hidden, (num_kv_heads/T)·head_dim]` |
| `v_proj_wt` | 同上 | column | 同上 |
| `o_proj_wt` | `[num_heads·head_dim, hidden]` | **row** | `[(num_heads/T)·head_dim, hidden]` |
- 每个 rank 只算自己的 `num_heads/T` 个 Q head 和对应的 `num_kv_heads/T` 个 KV head
GQA 的 `n_rep = num_heads/num_kv_heads = 4` 在每个 rank 内保持不变。
- `q_norm`/`k_norm``[head_dim]`)逐 head 应用,**复制**到每个 rank。
- RoPE 逐 head、按 position 应用,每个 rank 独立做。
- **KV cache 也切分**:每个 rank 的 paged KV 只存自己的 `num_kv_heads/T` 个 head
→ 每卡 KV 显存降为 1/TTP 的一大收益)。
- `attn = merge_heads(...) @ o_proj_wt` 得到**部分** `[T_tok, hidden]`**AllReduce(sum)** → 完整。
### MLP / SwiGLUcolumn → row
| 权重 | 原 shape | 切分 | 每 rank shape |
|------|----------|------|---------------|
| `gate_proj_wt` | `[hidden, intermediate]` | column | `[hidden, intermediate/T]` |
| `up_proj_wt` | 同上 | column | 同上 |
| `down_proj_wt` | `[intermediate, hidden]` | **row** | `[intermediate/T, hidden]` |
- `silu(gate)*up` 在切分后的 `[T_tok, intermediate/T]` 上逐元素做,无需通信。
- `down = (...) @ down_proj_wt` 得到部分 `[T_tok, hidden]`**AllReduce(sum)** → 完整。
### 复制(不切分)
- 所有 RMSNorm 权重(`input_norm`/`post_norm`/最终 `norm`):每个 rank 在 AllReduce 后
拿到完整 hidden本地用复制的权重归一化。
- **第一版**`embed_tokens``lm_head` 复制(各 ~1.2GB)。
后续优化vocab-parallel embeddinglocal lookup + AllReduce、column-parallel lm_head + AllGather。
### 通信点
每层 **2 次 AllReduce**o_proj 后、down_proj 后)→ 每生成 1 token 共 `2·36 = 72` 次。
decode 时每次 AllReduce 张量是 `[batch, 4096]` BF16单 token batch=1 时 8KB**延迟主导**。
## 3. 进程 / 线程模型
**单进程、多线程**:每个 TP rank 一个 OS 线程,线程启动时 `cudaSetDevice(rank_device)` 并绑定。
选择理由:
- xserv 的 caching allocator 是 `thread_local`,每线程独立池 → 天然契合「一线程一卡一池」。
- CUDA context 隐式按 device/thread 管理;线程内只 set 一次 device、不再切换即可。
- HTTP server / 调度器仍在主线程rank 0 协调),无需多进程 IPC改动最小。
- 单机 8 卡足够多进程torchrun 式)留待真正跨节点时再说。
执行流:主线程调度器准备一个 step 的输入tokens/positions/slots广播给 `T` 个 rank 线程;
每个 rank 线程跑自己的分片 forward含层内 AllReducerank 0 拿到完整 logits 后采样。
用 barrier / channel 同步每个 step。
## 4. 通信库NCCL
**NCCL**dash5 已装:`/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnccl.so.2``/usr/include/nccl.h`)。
- 新建 crate `xserv-distributed`NCCL FFI`ncclGetUniqueId``ncclCommInitRank`
`ncclAllReduce``ncclGroupStart/End`+ `TpContext`rank/world/comm/stream+
`all_reduce_sum(&mut GpuBuffer)` 原语。
- NCCL 多线程模式:主线程生成 `ncclUniqueId`,各 rank 线程用 `ncclCommInitRank(comm, world, id, rank)`
初始化(需 `ncclGroupStart/End` 包裹并发 init
- AllReduce 用 BF16`ncclBfloat16`+ `ncclSum`,在每个 rank 自己的 stream 上。
> **决策点**collective 用 NCCL 还是自己手写 P2P ring/tree AllReduce
> 本项目是「从零构建」,但 collective 属于基础设施(类比我们也用 cuBLAS 作为可切换后端)。
> 推荐先用 NCCL 把 TP 跑通、拿到正确性与加速比,后续可选做手写 AllReduce 作为学习项。
## 5. 权重分片加载
每个 rank 只加载/保留自己的分片,省显存:
- column-parallel 权重:按输出维切片取本 rank 的 `[*, dim/T]` 段。
- row-parallel 权重:按输入维切片取本 rank 的 `[dim/T, *]` 段。
- 复制权重norm/embed/lm_head每个 rank 各留一份。
实现:`loader` 读 safetensorsmmap时按 rank 只搬运需要的切片到该 rank 的 GPU
`Qwen3::from_weights_tp(config, weights, rank, world)` 在转置/切分时按 rank 取段。
## 6. 实现步骤(逐步可验证)
1. **P17.1 — `xserv-distributed` 基础**NCCL FFI + `TpContext` + `all_reduce_sum`
验收2 卡各放一个已知向量AllReduce 后两卡结果都等于和。
2. **P17.2 — 分片权重加载**`from_weights_tp`,每 rank 只持有自己的分片。
验收:各 rank 权重 shape 正确、显存占用约为 1/T+ 复制项)。
3. **P17.3 — TP forward**rank 内 attention/MLP + 层内 AllReduce。
验收:**TP=2 的 logits 与 TP=1 在 BF16 容差内一致**top-1 一致top-5 重合)。
4. **P17.4 — 接入 engine/server**`--tp N`,多线程 rank workers + rank0 调度。
验收:`--tp 2` 端到端可服务;用现有 llama.cpp bench 跑正确性;
测 TP=2 vs TP=1 的吞吐 / TTFT / 每卡显存。
## 7. 预期与风险
- **显存**:每卡权重 + KV 降到约 1/Tembed/lm_head 暂复制。TP=2 时单卡 ~8GB 权重 + 更大 KV/并发空间。
- **吞吐**PCIe AllReduce 延迟会吃掉部分收益decode 是延迟敏感的72 次小 AllReduce/token
可能让 TP=2 的单流 tok/s **不一定线性提升**,但能跑更大 batch / 更长 context。先测实测数。
- **风险**NCCL 多线程初始化的同步、每 rank stream 与现有 kernel stream 的协调、
KV cache 按 rank 切 head 后 paged kernel 的 head 维参数要用 per-rank 值。
- 正确性优先:先 TP=1 等价logits 对齐),再谈性能。
## 8. 不在本阶段范围
- 跨组 TP=8、Pipeline Parallelism、多节点。
- vocab-parallel embedding / lm_head先复制
- 手写 AllReduceNCCL 跑通后可选)。
- 与 CUDA Graph decode 的结合(先走非 graph 路径)。