S72867: AI Developer Tools for Accelerated Computing - Scarce Data Isn't Scary!

Matt Frazier, Director for AI Assisted Developer Tools | GTC25

概览：您为何在此？

NVIDIA Nsight 正在创建编码工具，通过以下方式赋能并提升开发者的加速计算能力（CUDA 技能、性能分析与优化）：

• 构建高质量的验证框架
• 提供直观的用户体验
• 为人工智能和 GPU 专业知识创造一个增长飞轮

本演示将介绍这些工具的细节以及它们何时能交到开发者手中。

议程

• AI 编程助手与 CUDA
• 数据稀缺性问题
• 创建一个专业知识飞轮
• 上下文增强策略
• NVIDIA 对 AI 辅助开发未来的愿景

AI 编程助手与 CUDA

NVIDIA 的 AI 编程助手旨在通过以下方式支持开发者：

• 降低复杂性和易变性：简化 CUDA 编程的复杂性。
• 为专家提供即时细节：即使是经验丰富的开发者也能快速获取所需信息。
• 加速计算中的持续优化：优化是一个永无止境的过程。

该系统的核心架构包括一个 CUDA 智能服务，它利用前沿的大型语言模型 (Frontier LLM NIM) 和一个 CUDA 与硬件数据库 (CUDA & Hardware DB)。该服务通过 OpenAPI、VS Code 扩展、其他 IDE 和 API 集成等多种方式向开发者提供支持。

数据稀缺性问题

在为 CUDA 开发 AI 编程助手时，面临着独特的数据挑战：

• 传统 AI 数据挑战：通常需要大量数据进行训练。
• CUDA：专业知识丰富，数据匮乏：高质量的 CUDA 代码范例相对稀少，但其中蕴含着深厚的专家知识。
• 超越简单的代码生成：目标不仅仅是生成代码，而是生成正确且高性能的代码。
• 基准测试的误导性：传统的代码生成基准测试可能无法反映真实世界 CUDA 编程的复杂性和性能要求。
• 现实世界用例 vs. 完美示例：模型需要处理的是实际开发中遇到的复杂问题，而不仅仅是教科书式的理想化示例。

验证优先方法 (Validation-First Approach)

为了确保 AI 生成代码的质量和可靠性，我们采用了一种“验证优先”的方法，即衡量过程而不仅仅是输出。

• 正确性 + 性能：这是评估 CUDA 代码质量的两个核心维度。
• 黄金基准至关重要：建立高质量的、经过专家验证的基准解决方案（Golden Baselines）是评估的基础。
• 硬件感知验证：验证过程必须考虑到硬件的具体特性，因为性能与硬件紧密相关。
• 性能分析即为性能真相：使用性能分析工具（Profiling）来获取关于代码实际性能的最终判断。

该流程如下图所示：首先，针对一个 CUDA 问题，创建一个包含黄金代码解决方案（Golden Code Solution）、单元测试（Unit Tests）和词法测试（Lexical Tests）的验证集。当 AI 模型生成一个响应（Response）时，系统会通过单元测试和词法测试来验证其正确性，并通过与黄金解决方案进行性能对比来评估其性能。

创建一个专业知识飞轮

为了解决数据稀缺问题，我们设计了一个“专业知识飞轮”来捕捉并利用专家的知识。

• 工作流 vs. 单一示例：相比于孤立的代码示例，完整的开发工作流（从问题到解决方案的迭代过程）包含更丰富的信息。
• 隐式反馈 > 显式反馈：开发者在调试、编辑和优化代码过程中的行为（隐式反馈）比他们直接给出的评价（显式反馈）更有价值。
• 捕捉修改背后的“原因”：通过分析整个工作流，可以理解开发者进行特定修改的深层原因。
• 从调试会话到训练数据：将开发者的调试和优化过程（包括调试输出、代码编辑、性能分析器输出等）转化为高质量的训练数据。
• 人工审核确保质量：专家的审核是保证数据质量的关键环节。

下图展示了 NVIDIA Nsight CoPilot 的一个实际应用界面，它正在为 FP8 矩阵乘法生成代码和测试用例，体现了 AI 辅助开发的具体流程。

上下文增强策略

为了给 CUDA 开发者开发实用的 AI 辅助工具，我们采用了多种上下文增强策略，而非仅仅依赖于传统的 RAG 或微调。

• 将文档作为代码上下文：在生成代码时，将相关的官方文档作为上下文信息提供给模型。
• 版本感知智能：AI 助手需要了解不同版本的 CUDA 和硬件，以提供兼容且最优的建议。
• 性能知识迁移：将从性能分析中获得的专家知识迁移并整合到 AI 模型中。
• 为正确的任务选择正确的模型：根据任务的复杂度和类型，选择最合适的 AI 模型。
• 超越静态文档：利用比静态文档更丰富的动态信息源。

NVIDIA Nsight CoPilot for CUDA

Nsight CoPilot 是这一理念的实践产品。

• 在开发者熟悉的地方提供帮助：通过集成到主流 IDE（如 VS Code 扩展），无缝融入开发者的现有工作流。
• NVIDIA 专业知识层：该工具不仅仅是一个代码生成器，它融入了 NVIDIA 在 GPU 计算领域的深厚专业知识。

下一步计划是什么？
* 自动分析生成的代码：自动对 AI 生成的代码进行性能分析，并提供优化建议。
* 解释优化，而不仅仅是代码：不仅生成优化后的代码，还解释为何这样优化。
* 完整的软件开发生命周期（SDLC）支持：将 AI 辅助能力扩展到整个开发流程。

真实世界实现

我们的方法在真实世界的实现中取得了显著成果：

• 相比基础模型的质量提升：通过整合 CUDA 上下文和专家知识，生成的代码质量远超通用基础模型。
• 前沿模型 + CUDA 上下文：结合了最先进的大语言模型与丰富的 CUDA 特定上下文信息。
• 构建于开源基础之上：利用并贡献于开源社区。
• 从代码级优化到系统级优化：将优化的视野从单个代码片段扩展到整个系统。
• 专家知识迁移成果：成功将专家的隐性知识转化为 AI 模型的能力。

未来愿景

我们对 AI 辅助开发的未来愿景包括：

• 遗留代码库优化：帮助开发者现代化和优化旧有的 CUDA 代码库。
• 经过测试验证的技术债务削减：通过生成经过验证的、高质量的代码来系统性地减少技术债务。
• 版本迁移支持：自动化处理 CUDA 版本升级带来的代码迁移工作。
• 跨产品智能：整合 NVIDIA 不同开发工具和产品线之间的知识。
• NVIDIA 技术导航：帮助开发者在庞大的 NVIDIA 技术生态中找到最合适的工具和解决方案。

可用性与路线图

• GTC 演示：在 GTC 大会上进行现场演示。
• Insight Co-pilot Beta 版访问：即将开放 Beta 版的访问权限。
• 验证基准即将发布：很快会发布用于评估 CUDA 代码生成质量的基准测试。
• 社区合作邀请：邀请社区开发者参与合作，共同改进工具。
• 反馈驱动改进：用户的反馈是推动产品不断完善的核心动力。