本文将深入CANN的一项关键特性能力：自定义算子开发与融合。我们将以Transformer中的“缩放点积注意力”为实战目标，放弃调用多个独立算子的传统方法，转而利用CANN的TBE（Tensor Boost Engine），从零开始，用领域特定语言（DSL）编写一个将多个步骤“融合”于一体的高性能融合注意力算子。全文将详尽剖析从理论解构、环境准备、TBE算子编码、编译部署到最终使用AscendCL进行性能验证的全过程，旨在向广大AI开发者展示CANN平台无与伦比的开放性、灵活性与性能优化潜力。

在AI实践中，我们常常遇到这样的场景：

1. 前沿算法引入新算子：学术界提出了一种全新的激活函数或网络层，现有AI框架的标准算子库中并不包含。

2. 性能瓶颈定位：通过性能分析工具（Profiling），我们发现模型中的某几个连续算子组合（例如Attention模块）消耗了绝大部分的计算时间，成为了性能瓶颈。

3. 极致优化需求：在对延迟要求极其苛刻的场景（如自动驾驶、实时推荐），即便每个算子都已优化，但算子间的调度和数据流转依然存在可观的开销。

面对这些挑战，仅仅依赖将整个模型编译成.om文件的“黑盒”方案是远远不够的。我们需要一把“手术刀”，能够精准地对模型的“器官”——算子，进行切除、重组和强化。CANN提供的TBE自定义算子开发能力，正是这把无坚不摧的“手术刀”。

第一章：为何要深入“自定义算子”的腹地？

在深入实践前，我们必须回答一个根本问题：既然CANN的ATC工具已经能很好地优化整个模型图，我们为何还要费时费力地去开发单个算子？

1.1 打破“标准算子”的枷锁

ATC的图优化（如算子融合）能力是强大的，但它主要针对的是已知的、常见的算子组合模式。当我们的模型中包含非常规的、自定义的计算逻辑时，ATC可能无法识别出最佳的融合策略，甚至可能因为存在不支持的算子而导致模型转换失败。TBE则赋予了开发者无限的自由，任何可以用数学和逻辑描述的计算过程，理论上都可以通过TBE实现为NPU上的一个原生算子。

1.2 “算子融合”：性能优化的核武器

让我们以本文的目标——缩放点积注意力为例，其计算公式为： Attention(Q, K, V) = Softmax( (Q @ K^T) / sqrt(d_k) ) @ V

在标准框架中，这会被拆解为至少四个独立的算子（Kernel）调用：

1. BatchMatMul(Q, K^T)

2. Scale(result_1, 1/sqrt(d_k))

3. Softmax(result_2)

4. BatchMatMul(result_3, V)

在NPU上执行这个流程，会发生什么？

• 启动开销：每次调用一个算子（Kernel），CPU都需要向NPU下达指令，这本身就有一定的时延。四次调用就有四份开销。

• 内存**“乒乓”**：result_1, result_2, result_3这些中间结果，在每次算子计算完毕后，大概率需要被写回到NPU的全局内存（HBM）中，然后在下一个算子开始时再被读出来。HBM的带宽虽然高，但与NPU核心的片上缓存（On-chip Buffer）相比，速度和功耗都相差数个数量级。这种频繁的数据“乒乓”是巨大的性能杀手。

而算子融合，就是通过TBE将这四个步骤合并成一个单一的、巨大的融合算子FusedAttention。当调用这个融合算子时：

• 一次启动：CPU只需向NPU下达一次执行指令。

• 数据不出片：所有的中间结果都将尽可能地保留在NPU核心旁的超高速片上缓存中，直接作为下一步计算的输入，极大地减少了对高延迟、高功耗的全局内存的访问。这带来的性能提升往往是革命性的。

这正是CANN特性能力解析中“高性能优化”的精髓所在，也是我们本次实战的核心目标。

第二章：整装待发——搭建我们的“算子铸造厂”

要铸造一把削铁如泥的宝剑，首先需要一个设备精良的铸造厂。同样，要开发高性能的自定义算子，我们也需要一个配置完善的开发环境。幸运的是，昇腾AI社区提供的云端Notebook环境，就是我们理想中的“算子铸造厂”。

此处的环境准备步骤，与我们之前进行模型推理时完全一致，但这背后的意义却有了新的深度。

2.1 云端Notebook：不仅仅是便捷，更是“一致性”的保障

对于算子开发而言，环境的“一致性”比任何时候都重要。TBE算子代码的编译，深度依赖于CANN Toolkit的版本、底层的驱动版本、乃至Python解释器的版本。云端Notebook提供了一个由官方维护的、版本精确匹配的黄金标准环境，让我们免于陷入“版本地狱”，可以直接聚焦于算子逻辑的开发本身。

2.2 精准配置：为“底层作业”选择合适的工具集

在选择NPU规格和容器镜像时，我们的考量也更进一步。我们选择的容器镜像，不仅仅要包含CANN的运行时（Runtime），更必须包含完整的CANN Toolkit开发套件。这个套件里，才包含了我们即将使用的TBE算子编译器、AscendCL的头文件和库文件等核心开发工具。这个选择，决定了我们的Notebook环境是一个“开发者工作站”，而不仅仅是一个“应用执行器”。

2.3 进入“铸造车间”：JupyterLab终端

进入JupyterLab，我们立刻打开终端。这个终端，就是我们未来几个小时内最核心的“操作台”。我们将在这里编写代码、调用编译器、执行我们亲手打造的程序。

2.4 获取“蓝图”：克隆示例仓库

即使我们要创造全新的东西，也不能凭空而来。samples仓库中，包含了自定义算子开发的模板和构建脚本（CMakeLists.txt），这是我们项目的最佳起点。

git clone https://gitee.com/ascend/samples.git cd samples/cplusplus/level3_application/1_custom_op/

我们执行git clone命令，将宝贵的示例代码库下载到本地。注意，这次我们选择进入cplusplus/level3_application/1_custom_op目录。这表明自定义算子开发属于一个更高级（Level 3）的应用范畴，并且其主控程序通常使用C++（通过AscendCL）编写，以追求极致的性能。

至此，我们的“算子铸造厂”已准备就绪，所有的工具、原料和蓝图都已到位。接下来，让我们开始设计并铸造我们的核心部件——融合注意力算子。

第三章：庖丁解牛——融合注意力算子的TBE实现

TBE（Tensor Boost Engine）是CANN的算子开发利器。它允许开发者使用一种基于Python的领域特定语言（DSL）来描述算子的计算逻辑。TBE的编译器会接管后续所有复杂的工作：自动进行循环展开、数据tiling（分块）、内存分配优化，并最终生成能在达芬奇架构上高效运行的底层指令。

TBE开发一个完整的算子，遵循“三段式”流程：算子原型定义 -> 算子实现 -> 算子信息库。

3.1 第一步：算子原型定义（Operator Prototype）

我们需要先告诉CANN，我们这个新算子“长什么样”。这通过一个Python函数，利用te.op.register_op装饰器来完成。

# aicore/impl/fused_attention.py 
from te import op

这段代码定义了一个名为FusedAttention的算子。它有3个输入张量 (q, k, v)，1个输出张量 (output)，以及1个浮点数类型的属性scale（即1/sqrt(d_k)）。kernel_name是它在设备上注册的内核名。

**3.2 第二步：算子计算逻辑实现（**DSL Coding）

这是整个开发过程的核心和灵魂。我们将用TBE提供的API，像搭积木一样，把Attention的计算流程描述出来。

# aicore/impl/fused_attention.py 
from te import tvm
def fused_attention_compute(q, k, v, output, scale, kernel_name):
# 获取shape信息
q_shape = q.shape
k_shape = k.shape
# 1. 第一个矩阵乘: Q @ K^T
# TBE需要我们显式地处理转置
k_transposed = tvm.compute( (k_shape[0], k_shape[2], k_shape[1]), 
                            lambda b, i, j: k[b, j, i], 
                            name="k_transpose")
定义MatMul的reduce axis
k_reduce_axis = tvm.reduce_axis((0, q_shape[2]), name="k_reduce")
执行MatMul
qk_matmul_result = tvm.compute( (q_shape[0], q_shape[1], k_shape[1]),

lambda b, i, j: tvm.sum(q[b, i, k_reduce_axis] * k_transposed[b, j, k_reduce_axis], axis=k_reduce_axis),

name="qk_matmul")
2. 缩放 (Scale)
scaled_result = tvm.compute(qk_matmul_result.shape,

lambda *indices: qk_matmul_result(*indices) * scale,

name="scale")
3. Softmax
Softmax在TBE中相对复杂，通常是reduce(exp(x)) / sum(exp(x))
为简化说明，我们假设有一个高级API
softmax_result = te.lang.cce.softmax(scaled_result, axis=-1)
4. 第二个矩阵乘: result @ V
v_reduce_axis = tvm.reduce_axis((0, k_shape[1]), name="v_reduce")

final_result = tvm.compute( output.shape,

lambda b, i, j: tvm.sum(softmax_result[b, i, v_reduce_axis] * v[b, v_reduce_axis, j], axis=v_reduce_axis),

name="output_matmul")
return final_result

深度挖掘这段DS代码：

• Tensor Expression (te/tvm)：TBE的DSL语法源于TVM项目。它是一种“声明式”编程范式。我们只“描述”输出张量的每个元素是如何由输入张量计算得来的（通过lambda表达式），而不需要关心具体的循环如何写、数据如何搬运。

• tvm.compute: 这是定义一个计算阶段（Stage）的核心函数。它接收输出张量的shape和用于计算的lambda函数。

• tvm.reduce_axis 和 tvm.sum: 这是实现矩阵乘法、向量内积等归约（Reduction）操作的关键。

• te.lang.cce: cce代表“Cube Computing Engine”，这个命名空间下提供了许多针对达芬奇架构3D Cube计算单元高度优化的API，如matmul, softmax等。直接使用这些高级API，通常能获得比手动编写tvm.compute更好的性能。我们的代码混合了两者以作说明。在实际开发中，应优先使用cce下的高级API。

• 融合的体现: 请注意，scaled_result直接使用了qk_matmul_result，softmax_result直接使用了scaled_result... 整个计算过程形成了一个无缝的计算图。当TBE编译器处理这个图时，它会识别出这些数据依赖，并生成一个单一的NPU内核，让这些中间结果尽可能地在片上缓存中流动，从而实现“融合”的性能优势。

3.3 第三步：构建与部署

写完算子代码后，我们需要使用CANN Toolkit提供的编译工具链将其编译成昇腾NPU可以识别的二进制文件。这个过程通常通过配置CMakeLists.txt来自动化。

CMake脚本会调用tbe_codegen等工具，最终生成：

• libcust_op.so: 包含算子实现的动态链接库。

• 一个自定义算子信息库的二进制文件：供ATC和AscendCL查询算子信息。

编译完成后，我们需要将这些生成物部署到指定的目录下，并配置环境变量，以便系统能够找到我们新开发的算子。

第四章：运筹帷幄——用AscendCL调用融合算子

我们的“宝剑”已经铸成，现在需要一位“剑客”来挥舞它。AscendCL（ACL）就是这位剑客，它是在Host侧（CPU）运筹帷幄，调度NPU执行任务的C++ API。

我们将编写一个C++主程序，来调用我们刚刚开发的FusedAttention算子。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <random>
#include <stdexcept>
// Main AscendCL header
#include "acl/acl.h"
// Header for single operator execution
#include "acl/ops/acl_op_runner.h"
// --- Helper function for error checking ---
// A simple macro to wrap ACL calls and throw an exception on failure
#define CHECK_ACL(call)                                             
do {                                                            
aclError ret = call;                                        
if (ret != ACL_SUCCESS) {                                   
throw std::runtime_error("ACL Error: " +                
std::string(aclGetRecentErrMsg()) + 
" | Return Code: " + std::to_string(ret)); 
}                                                           
} while (0)
// Function to print a few elements of a vector for verification
void print_vector_summary(const std::vector<float>& vec, const std::string& name) {
std::cout << "--- " << name << " (first 5 and last 5 elements) ---" << std::endl;
if (vec.size() <= 10) {
for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {
std::cout << vec[i] << " ";
}
} else {
for (int i = 0; i < 5; ++i) std::cout << vec[i] << " ";
std::cout << "... ";
for (size_t i = vec.size() - 5; i < vec.size(); ++i) std::cout << vec[i] << " ";
}
std::cout << std::endl << std::endl;
}
int main() {
try {
// --- 1. Initialization ---
std::cout << "1. Initializing ACL..." << std::endl;
CHECK_ACL(aclInit(nullptr));
    int32_t deviceId = 0;
    CHECK_ACL(aclrtSetDevice(deviceId));
aclrtContext context;
CHECK_ACL(aclrtCreateContext(&amp;amp;context, deviceId));

aclrtStream stream;
CHECK_ACL(aclrtCreateStream(&amp;amp;stream));
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;Initialization successful.&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;

// --- 2. Prepare Input/Output Data on Host ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n2. Preparing Host data...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
const int64_t BATCH_SIZE = 1;
const int64_t SEQ_LEN = 16;
const int64_t HIDDEN_SIZE = 128;
const aclDataType DTYPE = ACL_FLOAT;
const aclFormat FORMAT = ACL_FORMAT_ND;

// Calculate total elements and size in bytes
size_t num_elements = BATCH_SIZE * SEQ_LEN * HIDDEN_SIZE;
size_t tensor_size = num_elements * sizeof(float);

// Create random data for Q, K, V on the CPU (Host)
std::vector&amp;lt;float&amp;gt; h_q(num_elements);
std::vector&amp;lt;float&amp;gt; h_k(num_elements);
std::vector&amp;lt;float&amp;gt; h_v(num_elements);

std::random_device rd;
std::mt19937 gen(rd());
std::uniform_real_distribution&amp;lt;&amp;gt; distrib(-1.0, 1.0);
for (size_t i = 0; i &amp;lt; num_elements; ++i) {
    h_q[i] = distrib(gen);
    h_k[i] = distrib(gen);
    h_v[i] = distrib(gen);
}
print_vector_summary(h_q, &amp;quot;Host Input Q&amp;quot;);

// --- 3. Allocate Memory on Device ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n3. Allocating Device memory...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
void *d_q, *d_k, *d_v, *d_output;
CHECK_ACL(aclrtMalloc(&amp;amp;d_q, tensor_size, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST));
CHECK_ACL(aclrtMalloc(&amp;amp;d_k, tensor_size, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST));
CHECK_ACL(aclrtMalloc(&amp;amp;d_v, tensor_size, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST));
CHECK_ACL(aclrtMalloc(&amp;amp;d_output, tensor_size, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST));

// --- 4. Copy Input Data from Host to Device ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n4. Copying data from Host to Device...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
CHECK_ACL(aclrtMemcpy(d_q, tensor_size, h_q.data(), tensor_size, ACL_MEMCPY_HOST_TO_DEVICE));
CHECK_ACL(aclrtMemcpy(d_k, tensor_size, h_k.data(), tensor_size, ACL_MEMCPY_HOST_TO_DEVICE));
CHECK_ACL(aclrtMemcpy(d_v, tensor_size, h_v.data(), tensor_size, ACL_MEMCPY_HOST_TO_DEVICE));

// --- 5. Construct Operator Input/Output Descriptions ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n5. Constructing operator descriptors...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
const std::vector&amp;lt;int64_t&amp;gt; dims = {BATCH_SIZE, SEQ_LEN, HIDDEN_SIZE};

// Create Tensor Descriptions
aclTensorDesc *q_desc = aclCreateTensorDesc(DTYPE, dims.size(), dims.data(), FORMAT);
aclTensorDesc *k_desc = aclCreateTensorDesc(DTYPE, dims.size(), dims.data(), FORMAT);
aclTensorDesc *v_desc = aclCreateTensorDesc(DTYPE, dims.size(), dims.data(), FORMAT);
aclTensorDesc *output_desc = aclCreateTensorDesc(DTYPE, dims.size(), dims.data(), FORMAT);

// Create Data Buffers
aclDataBuffer *q_buffer = aclCreateDataBuffer(d_q, tensor_size);
aclDataBuffer *k_buffer = aclCreateDataBuffer(d_k, tensor_size);
aclDataBuffer *v_buffer = aclCreateDataBuffer(d_v, tensor_size);
aclDataBuffer *output_buffer = aclCreateDataBuffer(d_output, tensor_size);

// Arrays for aclopExecuteV2 call
const int numInputs = 3;
aclTensorDesc* input_descs[] = {q_desc, k_desc, v_desc};
aclDataBuffer* input_buffers[] = {q_buffer, k_buffer, v_buffer};

const int numOutputs = 1;
aclTensorDesc* output_descs[] = {output_desc};
aclDataBuffer* output_buffers[] = {output_buffer};

// --- 6. Crucial Step: Execute Custom Operator ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n6. Executing 'FusedAttention' operator...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
const char* op_type = &amp;quot;FusedAttention&amp;quot;;
// Note: Real FusedAttention ops often require attributes (e.g., scale, dropout).
// For this demo, we pass nullptr, assuming defaults are sufficient.
// You might need to create and set an `aclopAttr` object for a real use case.
aclopAttr *attr = aclopCreateAttr();

CHECK_ACL(aclopExecuteV2(op_type,
                         numInputs, input_descs, input_buffers,
                         numOutputs, output_descs, output_buffers,
                         attr, stream));
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;Operator execution enqueued.&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;

// --- 7. Synchronize Stream to Wait for Completion ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n7. Synchronizing stream...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
CHECK_ACL(aclrtSynchronizeStream(stream));
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;Computation finished.&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;

// --- 8. Copy Result from Device to Host ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n8. Copying result from Device to Host...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
std::vector&amp;lt;float&amp;gt; h_output(num_elements);
CHECK_ACL(aclrtMemcpy(h_output.data(), tensor_size, d_output, tensor_size, ACL_MEMCPY_DEVICE_TO_HOST));

// --- 9. Verify Result ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n9. Verifying result...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
print_vector_summary(h_output, &amp;quot;Host Output&amp;quot;);
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;Verification complete. Check if output values are reasonable.&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;

// --- 10. Release Resources ---
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;\n10. Releasing all resources...&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;
// Device memory
CHECK_ACL(aclrtFree(d_q));
CHECK_ACL(aclrtFree(d_k));
CHECK_ACL(aclrtFree(d_v));
CHECK_ACL(aclrtFree(d_output));

// Data buffers
CHECK_ACL(aclDestroyDataBuffer(q_buffer));
CHECK_ACL(aclDestroyDataBuffer(k_buffer));
CHECK_ACL(aclDestroyDataBuffer(v_buffer));
CHECK_ACL(aclDestroyDataBuffer(output_buffer));

// Tensor descriptions
CHECK_ACL(aclDestroyTensorDesc(q_desc));
CHECK_ACL(aclDestroyTensorDesc(k_desc));
CHECK_ACL(aclDestroyTensorDesc(v_desc));
CHECK_ACL(aclDestroyTensorDesc(output_desc));

// Operator attributes
aclopDestroyAttr(attr);

// ACL runtime context
CHECK_ACL(aclrtDestroyStream(stream));
CHECK_ACL(aclrtDestroyContext(context));
CHECK_ACL(aclrtResetDevice(deviceId));

// Finalize ACL
CHECK_ACL(aclFinalize());
std::cout &amp;lt;&amp;lt; &amp;quot;All resources released successfully.&amp;quot; &amp;lt;&amp;lt; std::endl;

} catch (const std::exception&amp; e) {

std::cerr &lt;&lt; &quot;Caught exception: &quot; &lt;&lt; e.what() &lt;&lt; std::endl;

// Ensure ACL is finalized even on error

aclFinalize();

return 1;

}
return 0;

深度挖掘AscendCL调用流程：

• aclopExecuteV2: 这是本次实战的核心API调用。与之前使用aclmdlExecute执行整个模型不同，aclopExecuteV2用于异步执行一个单个算子。我们只需要提供算子的类型名（"FusedAttention"）、输入输出的描述符和数据缓冲区即可。

• 灵活性与控制力: 这种细粒度的调用方式，给了开发者极致的灵活性。我们可以用C++逻辑自由地组合、调用各种算子，构建动态的、无法预先固化为.om模型的复杂计算流。

• 性能测试的基石: 这个C++程序不仅是功能的验证，更是性能测评的“秒表”。我们可以在aclopExecuteV2调用前后记录时间，精确地测量我们开发的融合算子的执行耗时。

第五章：真金火炼——性能测评与分析

测评的灵魂在于对比。为了证明我们的FusedAttention融合算子的价值，我们需要设立一个基准（Baseline）。

Baseline方案：使用aclopExecuteV2，依次、独立地调用CANN算子库中已有的四个标准算子：BatchMatMul, Muls (用于缩放), Softmax, BatchMatMul。记录完成整个流程的总时间。

测评方案：调用一次我们开发的FusedAttention算子，记录其执行时间。

预期结果与分析

执行两个程序后，我们将得到两组耗时数据。我们几乎可以百分之百地预言，FusedAttention的耗时将远小于Baseline方案的总耗时。

这惊人的性能提升，源自我们前文分析的“算子融合”的魔力：

1. 开销锐减：四次Kernel启动和CPU-NPU交互的固定开销，变成了一次。

2. 内存墙的消解：三个巨大的中间结果张量，不再需要在NPU的全局内存（HBM）中“往返跑”，而是像在高速公路的“内部匝道”一样，直接在核心的片上缓存中流转。这避免了访存瓶颈，也大大降低了功耗。

3. 编译器的全局视野：TBE编译器在处理一个大的融合算子时，拥有了全局的优化视野。它可以进行更激进的指令重排、内存复用和并行调度，这是处理四个独立算子时无法做到的。

第六章：总结与展望

下载.om模型代表着我们获取了一个“成品”。而在本文，我们自己动手，将分散的计算逻辑（如同原材料）通过TBE的“熔炉”，亲手锻造出了一个全新的、性能卓越的“融合算子”（我们自己的.om的微缩版）。这是一种从“使用者”到“创造者”的身份转变，是本次测评最深刻的体验。