# ADR-0032: 큐브 간 All-Reduce — pe0 큐브-메시 리듀스 + 다중-SIP 교환

## Status

Accepted (supersedes ADR-0029).

## Context

### 목표

토폴로지 계층을 활용하는 단일 all-reduce 알고리즘을 정의한다: 각 SIP
내부의 큐브 메시(큐브 간) + SIP 간 교환. 단일 커널, 단일 SFR 구성
경로이며 `topology.yaml`과 `ccl.yaml`로 구동된다.

### ADR-0029(계층적 3-레벨)를 대체하는 이유

ADR-0029는 시스템의 모든 PE가 참여하는 3-레벨(큐브 내 → 큐브 간 →
SIP 간) 알고리즘을 제안했다. 실제로는 텐서가 큐브 내 PE 단위가 아니라
**큐브 단위로 샤딩되는** 일반적 워크로드 패턴과 맞지 않으면서, 큐브 내
PE-PE stage 복잡성(양방향 reduce + 체인 브로드캐스트)을 추가한다.

또한 계층적 설계는 다음을 요구했다:
- PE별 이웃 그래프 설치 (`_build_pe_installs` 다중 레벨)
- 다중 레벨 토폴로지 스키마 (`hierarchical_3level`)
- `all_pes` 매퍼 + `multi_pe_sip_local` 검증자 인프라

아래의 큐브 간 알고리즘은 이 모든 것을 제거한다: **4×4 큐브 메시 위에서
pe0만의 same-lane 큐브 간 reduce**, 그 다음 루트 큐브에서 SIP 간 교환,
그 다음 다시 브로드캐스트. 더 단순한 커널, 더 단순한 와이어링,
일반적인 큐브당 DP 워크로드에 대해 동일한 대역폭 특성을 갖는다.

### 현재 상태

- `src/kernbench/ccl/algorithms/lrab_hierarchical_allreduce.py` — 커널
- `src/kernbench/ccl/sfr_config.py` — `configure_sfr_intercube_multisip`
- `src/kernbench/runtime_api/distributed.py` — `AhbmCCLBackend`가
  `init_process_group` 시점에 자동으로 와이어링한다.
- 기존 `ring_allreduce`, `mesh_allreduce`, `tree_allreduce`,
  `hierarchical_allreduce` 모듈과 그 테스트는 **제거됨**.

---

## Decision

### D1. 알고리즘 구조 — 5단계 (center-root, 양방향)

루트 큐브는 큐브 메시의 기하학적 **중심**에 위치한다:

```
root_col  = cube_w // 2
root_row  = cube_h // 2
root_cube = root_row * cube_w + root_col   # 중심; 4×4 메시에서 10
```

각 reduce/broadcast 단계는 이 중심을 향해 **양방향으로** 수렴/발산하여,
corner-root 워크 대비 SIP 내부 임계 경로를 절반으로 줄인다 (4×4 메시:
reduce 4홉 + broadcast 4홉 vs SE-코너 루트의 6+6).

각 SIP에 대해 (`mp.spawn`으로 동시에 launch):

```
Phase 1 — col == root_col에서 수렴하는 Row reduce (큐브 메시, pe0만):
    좌측 절반(col < root_col)은 W→E로, 우측 절반(col > root_col)은
    E→W로 진행; root_col 큐브가 양쪽을 병합 → row sum 보유.

Phase 2 — col == root_col에서 row == root_row로 수렴하는 Col reduce:
    위쪽(row < root_row)은 N→S로, 아래쪽(row > root_row)은 S→N로 진행;
    루트 큐브가 양쪽을 병합 → 전체 SIP sum 보유.

Phase 3 — cube_id == root_cube에서 SIP 간 교환 (pe0만):
    Ring / torus-2d row+col ring / mesh-2d chain reduce+broadcast —
    sip_topo_kind(topology.yaml의 sips.topology)로 선택.

Phase 4 — col == root_col에서 root_row로부터 바깥쪽으로 Col 브로드캐스트.

Phase 5 — root_col로부터 바깥쪽으로 큐브 메시 전반에 Row 브로드캐스트.
```

모든 단계가 끝나면 모든 큐브의 pe0이 전역 sum을 보유한다.

**단일 큐브 fast-path**: `cube_w == cube_h == 1`(rank당 큐브 하나, 일반적인
TP 케이스)인 경우 SIP 내부 reduce/broadcast 단계를 건너뛰고 곧바로
Phase 3 SIP 간 교환으로 진행한다.

커널은 `sip_topo_kind ∈ {0, 1, 2}`(ring_1d, torus_2d, mesh_2d_no_wrap)로
파라미터화된 단일 함수이다. Phase 1-2와 4-5는 토폴로지 전반에서 동일하며,
phase 3만 분기한다. 헬퍼 함수 `_inter_sip_ring`, `_inter_sip_torus_2d`,
`_inter_sip_mesh_2d`가 세 가지 교환 패턴을 인코딩한다.

### D2. 텐서 레이아웃 (rank = SIP, 워커별)

ADR-0024에 따라 프로세스 그룹 레벨에서 rank = SIP이다. 각 워커가
자신의 큐브-메시 전체 텐서를 할당한다:

```python
dp = DPPolicy(cube="row_wise", pe="replicate", num_cubes=16, num_pes=1)
tensor = torch.zeros((n_cubes, n_elem), dtype="f16", dp=dp)
```

샤드 레이아웃: SIP당 16개 샤드, 큐브별 pe0에 하나씩. 커널은 각 큐브의
샤드를 `pe_addr = t_ptr + cube_id * n_elem * 2`로 주소 지정한다.

### D3. SFR / IPCQ 와이어링 — `configure_sfr_intercube_multisip`

ADR-0024의 rank-to-2-PE 설치를 대체한다. 어느 큐브가 루트인지 또는 어느
SIP 토폴로지가 선택되었는지와 무관하게 **모든 SIP의 모든 큐브의 pe0**에
대해 PE_IPCQ 이웃 테이블을 와이어링한다. 이를 통해 커널이 런타임에 루트
큐브를 선출할 수 있고, 재와이어링 없이 토폴로지 전환을 지원한다.

| Level | Direction labels | Scope |
|---|---|---|
| SIP 내부 큐브 간 | N / S / E / W | 모든 큐브의 pe0 → 메시 이웃의 pe0 (랩어라운드 없음) |
| SIP 간 (모든 큐브) | global_E / global_W / global_N / global_S | sip A의 큐브 c의 pe0 → `sips.topology`에 따른 피어 SIP의 큐브 c의 pe0 |

SIP 간 방향은 `global_*` 접두사를 사용하여 큐브 간 방향과 네임스페이스를
분리한다. ADR-0025의 `_OPPOSITE_DIR`은 `global_E ↔ global_W` 및
`global_N ↔ global_S`로 확장되어, 2-SIP 양방향 ring에 대한 역방향
리졸버가 올바르게 처리되도록 한다.

내부적으로 이 함수는 다음 인자로 `install_ipcq`를 호출한다:
- `world_size = n_sips × n_cubes`
- `rank_to_pe = [(sip, cube, 0) for sip in range(n_sips) for cube in range(n_cubes)]`
- 위 매핑을 생성하는 클로저로 캡처된 `neighbors()` 함수.

이 `world_size`는 IPCQ 와이어링 내부적이며 프로세스-그룹 rank로 유출되지
않는다.

### D4. SIP 토폴로지 — `topology.yaml`에서

```yaml
system:
  sips:
    count: 2
    topology: ring_1d       # or torus_2d, mesh_2d_no_wrap
```

- `ring_1d`: n_sips-1 라운드의 `send global_E / recv global_W`.
- `torus_2d`: `w × h` 랩핑 메시. `global_E/W`에서 row ring, 이어서
  `global_S/N`에서 col ring.
- `mesh_2d_no_wrap`: 랩어라운드 없는 `w × h` 메시. 차원별 chain
  reduce + 브로드캐스트.

2D 그리드 크기 `(w, h)`는 `system.sips.w/h`에서 온다 (ADR-0024 D5).
정사각 fallback (`round(sqrt(n_sips))²`)은 `w/h`가 생략된 경우에만
적용되므로, 직사각형 그리드(예: 6 SIP을 `3×2`로)는 명시적 `w/h`로
지원된다.

### D5. 프로세스-그룹 통합 — `AhbmCCLBackend`

`init_process_group` 시점에 백엔드는:

1. `ccl.yaml` + `topology.yaml`을 로드한다.
2. `system.sips.topology`로부터 알고리즘 모듈의 `TOPO_NAME_TO_KIND`를
   통해 `sip_topo_kind`를 도출하고, `sip_topo_w, sip_topo_h`는
   `system.sips.w/h`에서 정사각 fallback과 함께 도출한다 (ADR-0024 D5).
3. `configure_sfr_intercube_multisip(engine, spec, cfg)`를 호출한다 —
   일회성 SFR 와이어링, NCCL 커뮤니케이터 생성을 모방한다.

각 `dist.all_reduce(tensor)` 호출 시:

1. `cfg["module"]`로부터 `kernel_fn`을 해석한다.
2. `kernel_args(world_size, n_elem)`로부터 인자
   `(n_elem, cube_w, cube_h, n_sips)`를 구성한다.
3. `(sip_rank, sip_topo_kind, sip_topo_w, sip_topo_h)`를 추가하며,
   여기서 `sip_rank`는 현재 greenlet에 바인딩된 rank이다.
4. `_defer_wait=True`로 launch; 모든 워커가 제출한 후 메인 스케줄러가
   pending 핸들을 드레인한다 (ADR-0027 D0.4).

### D6. 구성 스키마

`ccl.yaml`:

```yaml
defaults:
  algorithm: lrab_hierarchical_allreduce
  buffer_kind: tcm
  ...

algorithms:
  lrab_hierarchical_allreduce:
    module: kernbench.ccl.algorithms.lrab_hierarchical_allreduce
    topology: none
    buffer_kind: tcm
    n_elem: 8
    root_cube: 15   # 현재 사용되지 않음 — 커널이 루트를 기하학적 중심으로
                    # 동적으로 선출한다 (D1 참조). 향후 명시적 루트 override /
                    # 런타임 선출 훅을 위한 placeholder로 유지한다.
```

`topology.yaml`:

```yaml
system:
  sips:
    count: 2
    topology: ring_1d
sip:
  cube_mesh: { w: 4, h: 4 }
```

### D7. 알고리즘 모듈 계약

`cfg["module"]`로 로드되는 모듈은 다음을 export해야 한다:

| Name | Purpose |
|---|---|
| `kernel` | callable, 시그니처 `(t_ptr, n_elem, cube_w, cube_h, n_sips, sip_rank, sip_topo_kind, sip_topo_w, sip_topo_h, tl)` |
| `kernel_args(world_size, n_elem) -> tuple` | 처음 4개의 scalar 인자(텐서별) 반환 |
| `TOPO_NAME_TO_KIND: dict[str, int]` | `system.sips.topology` 이름을 커널 분기 코드로 매핑 |
| `SIP_TOPO_RING`, `SIP_TOPO_TORUS`, `SIP_TOPO_MESH` | 정수 상수 (0, 1, 2) |

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## Dependencies

- **ADR-0023**: IPCQ 프로토콜 (이웃 테이블, 송수신, credit 반환).
- **ADR-0024**: rank = SIP launcher, `mp.spawn`, greenlet-로컬 rank.
- **ADR-0025**: 주소 기반 IPCQ 방향 매칭; `global_*` 쌍으로 확장된
  `_OPPOSITE_DIR`.
- **ADR-0027**: 메인 스케줄러에서의 worker-wait / 집합 통신 pending
  드레인.

## Non-goals

- **PE별 allreduce** (큐브 내 PE-PE reduce). 범위 밖 — 본 알고리즘의
  워크로드는 큐브당 DP이다.
- **정사각 그리드 fallback은 `n_sips = k²`를 요구**: 직사각형 SIP
  그리드(정사각형이 아닌 메시/토러스)는 지원되지만, `system.sips.w/h`를
  명시적으로 줄 때만 가능하다 (ADR-0024 D5). `w/h` 생략 시 2D 토폴로지는
  정사각 그리드로 fallback하며 여전히 `n_sips = k²`를 요구한다.
- **파이프라인 청크**: 큐브당 단일 타일, 아직 파이프라이닝 없음.
- **루트 큐브의 런타임 선출**: 커널은 현재 SIP 내부 임계 경로를
  최소화하기 위해 기하학적 중심인
  `root_cube = (mesh_h // 2) * mesh_w + (mesh_w // 2)`을 사용한다. SFR
  와이어링이 모든 큐브를 커버하므로, 필요해질 때 다른 루트를 런타임에
  선출하는 것은 순수 커널 변경이다.

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## Consequences

### Positive

- **단일 커널, 단일 설치 경로**로 all-reduce를 처리 — 제거된 네 개의
  모듈(`ring`, `mesh`, `tree`, `hierarchical`)을 대체한다.
- **토폴로지 무관 커널**: ring / torus / mesh를 정수 파라미터 하나로
  선택, 커널 중복 없음.
- **`dist.all_reduce`를 통한 자동화**: 벤치 레벨이나 사용자 레벨의
  알고리즘 선택 불필요; end-to-end 구성 기반.
- **완전한 SFR 와이어링**: 모든 SIP의 모든 큐브가 SIP 간 링크를 보유 —
  향후 동적 루트 큐브 선출을 지원한다.

### Negative

- **PE별 샤딩된 텐서에 부적합**: 큐브 하나 내부에서 8개 PE에 걸쳐
  샤딩되는 TP-레이어 스타일 텐서는 본 커널로 주소 지정할 수 없다. 이러한
  워크로드에는 별도의 큐브 내 all-reduce 경로가 필요하다 (아직 구현되지
  않음).
- **`configure_sfr_intercube_multisip`는 항상 모든 pe0을 와이어링**:
  주어진 실행이 부분집합(예: 1 SIP, ring만)만 필요하더라도. 설치 비용은
  작지만 영(zero)은 아니다.

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## Affected files

| File | Change |
|---|---|
| `src/kernbench/ccl/algorithms/lrab_hierarchical_allreduce.py` (신규) | 커널 + `_inter_sip_*` 헬퍼 + `TOPO_NAME_TO_KIND` |
| `src/kernbench/ccl/sfr_config.py` (신규) | `configure_sfr_intercube_multisip` |
| `src/kernbench/ccl/topologies.py` | `torus_2d`, `mesh_2d_no_wrap` 추가 |
| `src/kernbench/ccl/install.py` | `_OPPOSITE_DIR`을 `global_*` 쌍으로 확장 |
| `src/kernbench/runtime_api/distributed.py` | `AhbmCCLBackend`가 `configure_sfr_intercube_multisip` 사용 + sip_rank/topo 인자 추가 |
| `ccl.yaml` | 단일 `lrab_hierarchical_allreduce` 항목 |
| `topology.yaml` | `system.sips.topology` 추가 |
| `benches/ccl_allreduce.py` | Row-wise 큐브-메시 텐서 레이아웃 |
| `tests/sccl/` (테스트 패키지) | 구성 기반 ring/torus/mesh 정확성 + 전체 `dist.all_reduce` 경로 + latency/buffer-kind 스윕 (평가 하니스 — ADR-0043) |
| `tests/test_intercube_sfr_config.py` | SFR 와이어링 검증 |
| 제거 | `ring_allreduce.py`, `mesh_allreduce.py`, `tree_allreduce.py`, `hierarchical_allreduce.py`, `hello_send.py`, `testing.py` 및 그 테스트 |
