tutorials/numpy_frontend.ipynb

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  {
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   "source": [
    "# Using the Python-Numpy Frontend in DaCe\n",
    "\n",
    "In this tutorial, we will see how one can write code using the python-numpy frontend. The frontend supports a subset of the python language and array/matrix operations inspired by the numpy module."
   ]
  },
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   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Let's start with a first example that will showcase the basic elements of the DaCe program. First, we import the `dace` and `numpy` modules:"
   ]
  },
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      "text/html": [
       "<link href=\"https://fonts.googleapis.com/icon?family=Material+Icons\" rel=\"stylesheet\">\n",
       "        <script>\n",
       "        require.config({\n",
       "            paths: {\n",
       "                \"math\": \"https://spcl.github.io/dace/webclient/external_lib/math.min\"\n",
       "            },\n",
       "            waitSeconds: 40\n",
       "          });\n",
       "        require( [\"math\"], x => window.math = x);\n",
       "        </script><script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/renderer_dir/dagre.js\"></script>\n",
       "<script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/renderer_dir/global_vars.js\"></script>\n",
       "<script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/context_menu.js\"></script>\n",
       "<script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/renderer_elements.js\"></script>\n",
       "<script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/sdfg_utils.js\"></script>\n",
       "<script src=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/renderer.js\"></script>\n",
       "<link href=\"https://spcl.github.io/dace/webclient/sdfv.css\" rel=\"stylesheet\">\n"
      ],
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       "<IPython.core.display.HTML object>"
      ]
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    }
   ],
   "source": [
    "import dace\n",
    "import numpy as np"
   ]
  },
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   "metadata": {},
   "source": [
    "Then, we declare the program parameters, which can be either symbols or constants:"
   ]
  },
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   "execution_count": 2,
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   "outputs": [],
   "source": [
    "M, N, K = 24, 24, 24"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "We proceed by writing the DaCe program as a regular python method, that is annotated with the `dace.program` annotation. The parameters of the python method must have type annotations. For example, below we define a `gemm` method, for implementing the generalized matrix-matrix multiplication operation. The first 3 parameters are the 32-bit floating-point matrices `A`, `B` and `C`. The last 2 parameters are the 32-bit floating-point scalar values `alpha` and `beta`. The implementation of the method is written the same way as in python, using the numpy module."
   ]
  },
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   "execution_count": 3,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def gemm(A: dace.float32[M, K], B: dace.float32[K, N], C: dace.float32[M, N],\n",
    "         alpha: dace.float32, beta: dace.float32):\n",
    "    C[:] = alpha * A @ B + beta * C"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "The `[:]` slice expression is representing the whole range of the array/matrix. Note that in DaCe you are not allowed to redefine data in the same DaCe program. Therefore, if you define an array `C`, you may not assign to it a different value. For example, if we changed the implementation of the `gemm` method to `C = alpha * A @ B + beta * C`, we would get an error."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "The DaCe program may be parsed to an SDFG and/or compiled using the the same methods from the SDFG API:"
   ]
  },
  {
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   "execution_count": 4,
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   "outputs": [],
   "source": [
    "sdfg = gemm.to_sdfg()"
   ]
  },
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   "execution_count": 5,
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    {
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       "\n",
       "<div id=\"contents_8905887462892571516\" style=\"position: relative; resize: vertical; overflow: auto\"></div>\n",
       "<script>\n",
       "    var sdfg_8905887462892571516 = \"{\\n  \\\"type\\\": \\\"SDFG\\\",\\n  \\\"attributes\\\": {\\n    \\\"arg_types\\\": [],\\n    \\\"constants_prop\\\": {},\\n    \\\"_arrays\\\": {\\n      \\\"A\\\": {\\n        \\\"type\\\": \\\"Array\\\",\\n        \\\"attributes\\\": {\\n          \\\"allow_conflicts\\\": false,\\n          \\\"strides\\\": [\\n            \\\"24\\\",\\n            \\\"1\\\"\\n          ],\\n          \\\"total_size\\\": \\\"576\\\",\\n          \\\"offset\\\": [\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\"\\n          ],\\n          \\\"may_alias\\\": false,\\n          \\\"alignment\\\": 0,\\n          \\\"dtype\\\": \\\"float32\\\",\\n          \\\"shape\\\": [\\n            \\\"24\\\",\\n            \\\"24\\\"\\n          ],\\n          \\\"transient\\\": false,\\n          \\\"storage\\\": \\\"Default\\\",\\n          \\\"lifetime\\\": \\\"Scope\\\",\\n          \\\"location\\\": {},\\n          \\\"debuginfo\\\": null\\n        }\\n      },\\n  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    "## Supported Python/Numpy operators"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "The frontend supports the unary operators `{+, -, not, ~}`. Note that the `not` operator works the same way as the `numpy.logical_not` method."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 6,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def uadd(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B[:] = +A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def usub(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B[:] = -A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def logicalnot(A: dace.bool[5, 5], B: dace.bool[5, 5]):\n",
    "    B[:] = not A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def invert(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B[:] = ~A"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "The frontend support the binary operators `{+, -, *, /, //, %, **, @, <<, >>, |, ^, &, and, or, ==, !=, <, <=, >, >=}`. Note that the boolean operators `{and, or}` work the same way as the methods `numpy.logical_and` and `numpy.logical_or`. Apart from the matrix-multiplication operator `@`, all the other operators are point-wise. Note that the return type of the operators is the one returned by [`numpy.result_type`](https://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/generated/numpy.result_type.html). Exception to that are the boolean operators, which return boolean values."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Python augmented assignments are supported for all operators. Some examples follow:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 7,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def augfloordiv(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B //= A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def augmod(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B %= A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def augpow(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B **= A\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def auglshift(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    B <<= A"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Operations between arrays/matrices and scalars or arrays of size 1 behave the same way as with numpy:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 8,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def addscalar(A: dace.int64[5, 5], B: dace.int64, C: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    C[:] = A + B\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def floordivnumber(A: dace.int64[5, 5], C: dace.int64[5, 5]):\n",
    "    C[:] = A // 5"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Defining Data, Maps and Sequential-Loops\n",
    "\n",
    "Transient arrays can be defined with `dace.define_local` or just `numpy.ndarray`. Furthermore, transient scalars can be defined with `dace.define_local_scalar`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 9,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def transient(A: dace.float32[M, N, K]):\n",
    "    s = np.ndarray(shape=(M, N, K), dtype=np.int32)\n",
    "    t = dace.define_local(A.shape, A.dtype)\n",
    "    s[:] = A\n",
    "    t[:] = A"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Python for-loops are automatically converted to control-flow:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 10,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/html": [
       "\n",
       "<div id=\"contents_2572293889133444068\" style=\"position: relative; resize: vertical; overflow: auto\"></div>\n",
       "<script>\n",
       "    var sdfg_2572293889133444068 = \"{\\n  \\\"type\\\": \\\"SDFG\\\",\\n  \\\"attributes\\\": {\\n    \\\"arg_types\\\": [],\\n    \\\"constants_prop\\\": {},\\n    \\\"_arrays\\\": {\\n      \\\"HD\\\": {\\n        \\\"type\\\": \\\"Array\\\",\\n        \\\"attributes\\\": {\\n          \\\"allow_conflicts\\\": false,\\n          \\\"strides\\\": [\\n            \\\"BS**2\\\",\\n            \\\"BS\\\",\\n            \\\"1\\\"\\n          ],\\n          \\\"total_size\\\": \\\"BS**2*N\\\",\\n          \\\"offset\\\": [\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\"\\n          ],\\n          \\\"may_alias\\\": false,\\n          \\\"alignment\\\": 0,\\n          \\\"dtype\\\": \\\"complex128\\\",\\n          \\\"shape\\\": [\\n            \\\"N\\\",\\n            \\\"BS\\\",\\n            \\\"BS\\\"\\n          ],\\n          \\\"transient\\\": false,\\n          \\\"storage\\\": \\\"Default\\\",\\n          \\\"lifetime\\\": \\\"Scope\\\",\\n        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      "text/plain": [
       "<dace.sdfg.sdfg.SDFG at 0x17904e35ac8>"
      ]
     },
     "execution_count": 10,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "N, BS = (dace.symbol(name) for name in ['N', 'BS'])\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def forloop(HD: dace.complex128[N, BS, BS], HE: dace.complex128[N, BS, BS],\n",
    "             HF: dace.complex128[N, BS, BS],\n",
    "             sigmaRSD: dace.complex128[N, BS, BS],\n",
    "             sigmaRSE: dace.complex128[N, BS, BS],\n",
    "             sigmaRSF: dace.complex128[N, BS, BS]):\n",
    "\n",
    "    for n in range(N):\n",
    "        if n < N - 1:\n",
    "            HE[n] -= sigmaRSE[n]\n",
    "        else:\n",
    "            HE[n] = -sigmaRSE[n]\n",
    "        if n > 0:\n",
    "            HF[n] -= sigmaRSF[n]\n",
    "        else:\n",
    "            HF[n] = -sigmaRSF[n]\n",
    "        HD[n] = HD[n] - sigmaRSD[n]\n",
    "        \n",
    "forloop.to_sdfg()"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Maps (parallel for-loops) can be created with `dace.map`:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 11,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/html": [
       "\n",
       "<div id=\"contents_7969617153232045581\" style=\"position: relative; resize: vertical; overflow: auto\"></div>\n",
       "<script>\n",
       "    var sdfg_7969617153232045581 = \"{\\n  \\\"type\\\": \\\"SDFG\\\",\\n  \\\"attributes\\\": {\\n    \\\"arg_types\\\": [],\\n    \\\"constants_prop\\\": {},\\n    \\\"_arrays\\\": {\\n      \\\"neigh_idx\\\": {\\n        \\\"type\\\": \\\"Array\\\",\\n        \\\"attributes\\\": {\\n          \\\"allow_conflicts\\\": false,\\n          \\\"strides\\\": [\\n            \\\"NB\\\",\\n            \\\"1\\\"\\n          ],\\n          \\\"total_size\\\": \\\"NA*NB\\\",\\n          \\\"offset\\\": [\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\"\\n          ],\\n          \\\"may_alias\\\": false,\\n          \\\"alignment\\\": 0,\\n          \\\"dtype\\\": \\\"int32\\\",\\n          \\\"shape\\\": [\\n            \\\"NA\\\",\\n            \\\"NB\\\"\\n          ],\\n          \\\"transient\\\": false,\\n          \\\"storage\\\": \\\"Default\\\",\\n          \\\"lifetime\\\": \\\"Scope\\\",\\n          \\\"location\\\": {},\\n          \\\"debuginfo\\\": null\\n        }\\n      },\\n      \\\"dH\\\": {\\n        \\\"type\\\": \\\"Array\\\",\\n        \\\"attributes\\\": {\\n          \\\"allow_conflicts\\\": false,\\n          \\\"strides\\\": [\\n            \\\"N3D*NB*Norb**2\\\",\\n            \\\"N3D*Norb**2\\\",\\n            \\\"Norb**2\\\",\\n            \\\"Norb\\\",\\n            \\\"1\\\"\\n          ],\\n          \\\"total_size\\\": \\\"N3D*NA*NB*Norb**2\\\",\\n          \\\"offset\\\": [\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\",\\n            \\\"0\\\"\\n          ],\\n          \\\"may_alias\\\": false,\\n          \\\"alignment\\\": 0,\\n          \\\"dtype\\\": \\\"complex128\\\",\\n          \\\"shape\\\": [\\n            \\\"NA\\\",\\n            \\\"NB\\\",\\n            \\\"N3D\\\",\\n            \\\"Norb\\\",\\n            \\\"Norb\\\"\\n          ],\\n          \\\"transient\\\": false,\\n          \\\"storage\\\": \\\"Default\\\",\\n          \\\"lifetime\\\": \\\"Scope\\\",\\n  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    "    for name in ['Nkz', 'NE', 'Nqz', 'Nw',\n",
    "                 'N3D', 'NA', 'NB', 'Norb'])\n",
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    "            Sigma: dace.complex128[Nkz, NE, NA, Norb, Norb]):\n",
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    "        dHG = G[k-q, E-w, neigh_idx[a, b]] @ dH[a, b, i]\n",
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    "## Combining explicit dataflow with numpy\n",
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    "The python-numpy syntax can be used in combination with the explicit dataflow syntax:"
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   "source": [
    "N = dace.symbol('N')\n",
    "\n",
    "@dace.program\n",
    "def slicetest(A: dace.float64[N, N - 1], B: dace.float64[N - 1, N],\n",
    "              C: dace.float64[N - 1, N - 1]):\n",
    "    tmp = A[1:N] * B[:, 0:N - 1]\n",
    "    for i, j in dace.map[0:4, 0:4]:\n",
    "        with dace.tasklet:\n",
    "            t << tmp[i, j]\n",
    "            c >> C[i, j]\n",
    "            c = t"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 13,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "@dace.program\n",
    "def saoptest(A: dace.float64[5, 5], alpha: dace.float64,\n",
    "             B: dace.float64[5, 5]):\n",
    "    tmp = alpha * A * 5\n",
    "    for i, j in dace.map[0:5, 0:5]:\n",
    "        with dace.tasklet:\n",
    "            t << tmp[i, j]\n",
    "            c >> B[i, j]\n",
    "            c = t"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Other operations and methods\n",
    "\n",
    "Reductions can be defined with `dace.reduce`:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 14,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "W = dace.symbol('W')\n",
    "H = dace.symbol('H')\n",
    "\n",
    "@dace.program(dace.float32[H, W], dace.float32[H, W], dace.float32[1])\n",
    "def mapreduce_test(A, B, sum):\n",
    "    tmp = dace.define_local([H, W], dace.float32)\n",
    "\n",
    "    @dace.map(_[0:H, 0:W])\n",
    "    def compute_tile(i, j):\n",
    "        a << A[i, j]\n",
    "        b >> B[i, j]\n",
    "        t >> tmp[i, j]\n",
    "\n",
    "        b = a * 5\n",
    "        t = a * 5\n",
    "\n",
    "    sum[:] = dace.reduce(lambda a, b: a + b, tmp)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "The frontend also supports basic math methods such as `{exp, sin, cos, sqrt, log, conj, real, imag}`. See the documentation for details."
   ]
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.7.7"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 2
}