# ADR-0028: DTensor Support — 선언적 분산 텐서 (Stub / Future)

## Status

Stub (Future Work)

## Context

### 목표

**선언적 분산 텐서 추상화**(PyTorch 2.x `DTensor` 스타일)를 KernBench에
도입하기 위한 **디자인 공간 preliminary exploration**. 본 ADR은 **구현 계획이
아닌 future 작업의 파일 플레이스홀더 + 초기 질문 목록**이다.

### Megatron-style TP와의 차이 (Why DTensor)

| 관점 | Megatron (ADR-0027) | DTensor (이 ADR) |
|---|---|---|
| 표현 | 명시적 parallel layer | 텐서 + placement spec |
| 호출 형태 | `ColumnParallelLinear(...)` | `distribute_tensor(x, mesh, [Shard(1)])` |
| Collective 삽입 | 레이어 내부 명시 | 연산 dispatch가 자동 |
| Learning curve | 낮음 (명시적) | 중~높음 (선언적 의미 이해) |
| 유연성 | 레이어 단위로 고정 | 레이어 경계 무관, 어디서나 |
| KernBench에 선행 필요한 것 | launcher (ADR-0024) + TP (0027) | 그 + operator dispatch overhaul |

DTensor는 operator-level에서 "텐서의 placement를 보고 자동으로 collective
삽입". KernBench가 이를 지원하려면 **operator dispatch layer에 placement-aware
rewriting**이 들어가야 한다. 이는 비-trivial.

### 현재 상태

- KernBench는 operator dispatch 레이어가 없음 (`torch.matmul`은 없음; kernel
  launch로 대체).
- DPPolicy는 정적 placement metadata를 보유 (ADR-0026 후: intra-device only).
- ADR-0024 launcher가 rank / device 개념 제공.
- Megatron-style TP (ADR-0027)가 명시적 대안으로 기능할 것.

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## Preliminary decision space

### DQ1. PyTorch DTensor API 수용 범위

- `DeviceMesh`: rank들의 논리적 grid.
- `Placements`: `Shard(dim)`, `Replicate()`, `Partial(reduce_op)`.
- `distribute_tensor(tensor, device_mesh, placements)`: local tensor → DTensor.
- Redistribute: `dt.redistribute(new_placements)`로 collective 자동 삽입.
- Operator forward: `dt @ dt`, `dt + dt` 등 → 적절한 collective 자동 dispatch.

KernBench가 어느 수준까지 지원할지 결정 필요. 최소: `distribute_tensor` +
`redistribute`. 최대: 모든 operator overloading.

### DQ2. Operator dispatch 레이어

KernBench에서 `dt @ dt`를 정의하려면 Tensor의 `__matmul__`이 placement를
보고 적절한 action 수행:

- 둘 다 replicated → local matmul
- A column-sharded, B row-sharded → local matmul + all-reduce (RowParallel)
- A replicated, B column-sharded → local matmul (ColumnParallel)
- etc.

이는 Megatron-style의 **자동화된 버전**. Kernel은 기존 matmul kernel 사용.

### DQ3. DeviceMesh와 기존 topology

KernBench topology는 이미 SIP/cube/PE 계층. DTensor의 DeviceMesh는 추상
`(tp_size, dp_size, ...)` grid. 매핑:

- 1D mesh of size = SIP count → rank = SIP
- 2D mesh (tp × dp) → SIP을 그룹 분할 (pure TP 대신 mixed parallelism)

초기엔 1D mesh만, DP × TP 2D는 future.

### DQ4. Placement의 intra-device (DP) 통합

KernBench 특이점: 한 rank 내부에서 DPPolicy로 cube/PE에 분산. DTensor는
device 내부를 보지 않음. 통합:

- DTensor placement = rank (SIP) 간 분산
- 각 rank의 local tensor는 여전히 DPPolicy로 cube/PE 배치
- → DTensor wrapper가 local tensor의 DPPolicy도 보관

### DQ5. Collective 자동 삽입 지점

`redistribute` 또는 operator forward 시. ADR-0024의 submit+yield+wait 패턴을
자동으로 호출하는 형태. `_launch_submit` 내부화.

### DQ6. Autograd

DTensor는 autograd와 상호작용 (backward에서 reverse collective). KernBench가
backward 지원하기 전까지는 **forward-only DTensor**.

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## Open questions (to resolve before real design)

1. **우선순위**: Megatron-style(ADR-0027)이 먼저 안착한 후 DTensor를 위에
   얹는가, 아니면 공통 lower-layer를 먼저 설계하는가?
2. **호환성 목표**: PyTorch DTensor API와 몇 %까지 일치시키는가? 독자 API vs
   거의 동일?
3. **Operator dispatch**: KernBench `Tensor` 클래스에 `__matmul__` 등 연산자
   overloading을 도입하는가? (현재는 kernel launch만)
4. **Redistribute 정책**: `Shard(0) → Replicate()` 변환 시 어떤 collective
   사용? `all_gather`가 없으면 구현 전까지 제약.
5. **Mesh × DPPolicy interaction**: 하나의 DTensor가 2개 layer 분산을 갖는
   경우의 metadata 표현.
6. **Partial placement의 reduce 시점**: 자동 vs 명시 `redistribute` 호출.
7. **Bench authoring impact**: 기존 Megatron-style bench가 DTensor 기반으로
   얼마나 쉽게 포팅되는가?

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## Non-goals (for future real ADR)

- 이번 stub에서 API 확정. Future ADR에서 구체화.
- Implementation timeline. 이번 round에서는 **설계 공간 매핑만**.

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## Dependencies (potential)

- **ADR-0024** (launcher): rank / device 기반
- **ADR-0026** (DPPolicy cleanup): DTensor placement와의 분리 명확화
- **ADR-0027** (Megatron TP): 실용 TP 패턴 경험을 DTensor 설계로 환류
- **Future ADR** (operator dispatch layer): KernBench Tensor에 operator
  overloading 도입

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## Expected consequences (hypothetical)

### Positive

- PyTorch training code 이식이 **매우 쉬워짐** (DTensor 코드 그대로).
- TP + DP + 더 복잡한 parallelism을 **하나의 추상화**로 표현.
- Collective 삽입이 자동 → bench 작성자 부담 감소.

### Negative

- Operator dispatch layer 신규 구축 → 상당한 엔지니어링.
- Implicit behavior 증가 → 디버깅 / 성능 분석 복잡.
- KernBench의 "명시적 kernel launch" 철학과 tension.

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## Action

- **Phase 1 (현재)**: 본 stub 유지. Megatron-style (ADR-0027) 먼저 구현 +
  사용 경험 축적.
- **Phase 2 (future)**: 사용 경험을 바탕으로 본 ADR을 real design으로 승격.
  위 Open questions에 대한 답을 제시.
- **Phase 3 (future)**: Implementation.

현재 구현 작업은 **없음**. 디자인 공간 매핑만.

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## Affected files

본 ADR은 **stub**이므로 production 변경 없음. Future real ADR에서 갱신될
파일 후보:

| File | 예상 변경 (future) |
|------|---|
| `src/kernbench/dtensor/__init__.py` | 신규 패키지 |
| `src/kernbench/dtensor/device_mesh.py` | DeviceMesh |
| `src/kernbench/dtensor/placements.py` | Shard/Replicate/Partial |
| `src/kernbench/dtensor/api.py` | distribute_tensor, redistribute |
| `src/kernbench/dtensor/ops/*.py` | Operator dispatch (matmul 등) |
| `src/kernbench/runtime_api/tensor.py` | Tensor에 `__matmul__` 등 추가 |
