大模型能否为不同硬件平台生成高性能内核？南大、浙大提出跨平台内核生成评测框架MultiKernelBench

在深度学习模型的推理与训练过程中，绝大部分计算都依赖于底层计算内核（Kernel）来执行。计算内核是运行在硬件加速器（如 GPU、NPU、TPU）上的 “小型高性能程序”，它负责完成矩阵乘法、卷积、归一化等深度学习的核心算子运算。

当前，这些内核通常由开发者使用 CUDA、AscendC、Pallas 等硬件专用并行编程语言手工编写 —— 这要求开发者具备精湛的性能调优技巧，并对底层硬件架构有深入理解。

近年来，大语言模型（LLM）在代码生成领域的突破，使 “自动生成高性能深度学习内核” 成为新的研究热点。KernelBench、TritonBench 等评测基准相继出现，主要聚焦于评估 LLM 在 NVIDIA GPU 内核生成上的表现。

已有研究表明，现有 LLM 已具备一定的 GPU 内核生成能力。例如，英伟达工程师基于 DeepSeek-R1 设计了一套工作流程，在简单的 CUDA 内核生成任务中，该流程生成的内核在数值上全部正确，达到了 100% 的通过率。

然而，当前 AI 加速器架构日趋多样（如 NVIDIA GPU、华为昇腾 NPU、Google TPU、Intel GPU 等），其底层内核语言差异显著。现有评测基准普遍存在平台覆盖单一、评估维度粗糙、可扩展性不足等局限。在此背景下，关键问题浮现：大模型在 CUDA 生态下的优势能否有效迁移至异构平台？我们距离自动化生成高性能计算内核究竟还有多远？

针对这些问题，近日，南京大学与浙江大学联合推出全新开源评测框架 MultiKernelBench，打破平台、维度与扩展性的限制，为 LLM 驱动的高性能内核生成提供了新的测评标准。

• 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2507.17773

• 代码链接：https://github.com/wzzll123/MultiKernelBench

MultiKernelBench 提出了一个开放评测场景：在 GPU、NPU、TPU 等多平台上，LLM 自动生成高性能深度学习内核，并在真实设备中完成编译、运行与性能验证。它首次跨越单一硬件生态，推动 LLM 从 “单平台选手” 迈向 “全能型选手”。

值得注意的是，MultiKernelBench 的设计充分考虑了算子多后端的可扩展性。例如，Intel 工程师基于该框架高效地实现了 Intel GPU 的适配。

MultiKernelBench 是如何构建的？

为了确保任务覆盖全面且具有可扩展性，研究团队设计了一套模块化评测体系，包含四大核心特性：

1、 跨硬件平台支持

首批覆盖三大主流架构：

• NVIDIA GPU（CUDA / Triton）

• 华为昇腾 NPU（AscendC）

• Google TPU（Pallas）

通过统一 Backend 接口与装饰器机制，实现无需修改核心逻辑即可快速接入新平台。

论文作者后续计划逐步扩展对不同 GPU 和 NPU 厂商架构的支持，同时也诚邀各厂商参与开源生态的共建。

2、 细粒度任务体系

在 Stanford KernelBench 基础上重构分类框架，覆盖 14 类核心深度学习算子（卷积、归一化、优化器、稀疏计算等），不仅继承了 250 个经典任务，还新增 35 个未被现有基准覆盖的关键算子，全面反映 LLM 在不同算子类型上的生成能力。

3、 端到端自动化评测

构建标准化流程：内核生成 → 编译 → 硬件执行 → 性能分析，确保在真实硬件环境中完成全流程验证。

4、 类别感知 One-shot 提示策略

针对不同算子类别动态选取典型样例作为上下文提示，显著提升生成代码的语义相关性与功能正确性，尤其在 AscendC、Pallas 等训练语料稀缺的平台上效果显著。

此外，MultiKernelBench 提供插件式提示模板系统，方便研究者探索多样化的提示工程策略。

对比现有基准，MultiKernelBench 带来三大突破：

• 平台覆盖更广：打破对单一生态的依赖，真正实现跨 GPU / NPU / TPU 的统一评测。

• 评估维度更细：任务分类粒度精细化，可定位 LLM 在不同算子类型上的优势与短板。

• 扩展性更强：模块化架构与统一接口设计，使其能够伴随 AI 硬件生态快速演进。

多模型实测，模型表现如何？

基于 MultiKernelBench，评估了包括 GPT-4o、Claude、DeepSeek-V3、Qwen 等在内的 7 个主流大模型，参数规模涵盖 32B ~ 681B。

评估指标包括：

• Compilation@k：生成代码是否能成功编译

• Pass@k：是否输出功能正确的结果

• SpeedUp@k：运行时是否实现性能优化

实测结果显示：

• Claude-4-Sonnet 在整体评测中表现最佳；推理模型表现优异。

• CUDA 平台的 Kernel 执行通过率显著高于 Pallas 与 AscendC，反映出当前 LLM 对 CUDA 更具适应性。

• 类别感知式 Prompting 明显优于通用模板，尤其在 AscendC 等训练语料较少的平台上，能显著提升生成效果与成功率。

展望与未来计划

MultiKernelBench 的评测结果表明，即便是当前最先进的大语言模型（LLM），在多平台高性能内核生成任务中仍存在明显短板：在非 CUDA 平台上的成功率显著下降，生成代码的性能也普遍落后于手工优化版本。

未来，论文作者希望与社区共同推进 MultiKernelBench 的演进，重点探索以下方向：

• 更智能的提示策略：利用已有的插件式提示模板系统，开发反馈式、文档增强等新型提示方法，提升低资源平台的生成质量。

• 跨平台协同生成：实现多平台版本的同步生成与优化思路共享，增强跨架构泛化能力。

• 支持更多硬件后端：与社区合作接入更多新平台，进一步覆盖异构计算全景。

目前，MultiKernelBench 的全量数据集、框架代码与评测流程已全部开源，欢迎研究者与工程师提出新方法、贡献平台支持，共同推动多平台高性能内核自动生成的发展。

文章来自于微信公众号“机器之心”。