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摘要:长期以来,$k$-means主要被视为一种离线处理原语,通常用于数据集组织或嵌入预处理,而非作为在线系统中的一等组件。本研究在现代人工智能系统设计的视角下重新审视了这一经典算法,使其能够作为在线处理原语。我们指出,现有的GPU版$k$-means实现根本上受限于底层系统约束,而非理论算法复杂度。具体而言,在分配阶段,由于需要在高速带宽内存中显式生成庞大的$N \times K$距离矩阵,导致严重的I/O瓶颈。与此同时,质心更新阶段则因不规则的、分散式的标记聚合所引发的硬件级原子写争用而严重受罚。为弥合这一性能鸿沟,我们提出了flash-kmeans,一个针对现代GPU工作负载设计的、具有I/O感知且无争用的$k$-means实现。Flash-kmeans引入了两项核心的内核级创新:(1) FlashAssign,该技术将距离计算与在线argmin操作融合,完全避免了中间结果的显式内存存储;(2) 排序逆映射更新,该方法显式构建一个逆映射,将高争用的原子分散操作转化为高带宽的、分段级别的局部归约。此外,我们集成了算法-系统协同设计,包括分块流重叠和缓存感知的编译启发式方法,以确保实际可部署性。在NVIDIA H200 GPU上进行的大量评估表明,与最佳基线方法相比,flash-kmeans实现了高达17.9倍的端到端加速,同时分别以33倍和超过200倍的性能优势超越了行业标准库(如cuML和FAISS)。
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