HCCL概述

集合通信库HCCL（Huawei Collective Communication Library）是基于昇腾AI处理器的高性能集合通信库，提供单机多卡以及多机多卡间的数据并行、模型并行集合通信方案。

HCCL支持AllReduce、Broadcast、AllGather、ReduceScatter、AlltoAll等通信原语，Ring、Mesh、Halving-Doubling（HD）等通信算法，基于HCCS、RoCE和PCIe高速链路实现集合通信。

支持的产品型号

Atlas 训练系列产品

Atlas A2 训练系列产品

Atlas 300I Duo 推理卡

HCCL在系统中的位置

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HCCL提供了Python与C++两种语言的接口，其中Python语言的接口用于实现图模式下的框架适配，例如TensorFlow网络基于HCCL的Python API实现分布式优化；C++语言接口用于实现单算子模式下的框架适配，例如HCCL单算子API嵌入到PyTorch后端代码中，PyTorch用户直接使用PyTorch原生集合通信API，即可实现分布式能力。

HCCL软件架构

图1 集合通信库软件架构图

集合通信库软件架构分为三层：

适配层，图引擎与单算子适配，进行通信切分寻优等操作，提供通信域管理及通信算子接口。
集合通信业务层，包含通信框架与通信算法两个模块：
- 通信框架：负责通信域管理，通信算子的业务串联，协同通信算法模块完成算法选择，协同通信平台模块完成资源申请并实现集合通信任务的下发。
- 通信算法：作为集合通信算法的承载模块，提供特定集合通信操作的资源计算，并根据通信域信息完成通信任务编排。
集合通信平台层，提供NPU之上与集合通信关联的资源抽象，并提供集合通信的相关维护、测试能力。

集合通信流程

分布式场景中，HCCL提供了服务器间高性能集合通信功能，其通信流程如图2所示。

图2 分布式场景集合通信流程

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服务器间通信过程分为四个阶段：

通信域初始化：获取必要的集合通信配置参数并初始化通信域。
通信初始化阶段不涉及NPU设备之间的交互。
建立通信连接：建立socket连接并交换通信两端的通信参数和内存信息。
建立通信连接阶段，HCCL根据用户提供的集群信息并结合网络拓扑与其他NPU设备建链，交换用于通信的参数信息。如果在指定时间内（建链超时时间，默认120s，可通过环境变量HCCL_CONNECT_TIMEOUT配置）未得到其他NPU设备的及时响应，会上报建链超时错误并退出业务进程。
执行通信操作：通过“等待-通知”机制同步设备执行状态，传递内存数据。
通信操作执行阶段，HCCL会根据通信算法编排通知、内存访问等任务，并通过运行时管理组件下发给昇腾设备任务调度器，设备根据编排信息调度并执行任务。
通信域销毁：销毁通信域，释放通信资源。