Add hadamard functions

exllamav2/exllamav2_ext/ext_bindings.cpp

@@ -15,6 +15,7 @@
 #include "ext_qattn.h"
 #include "ext_qmlp.h"
 #include "ext_cache.h"
+#include "ext_hadamard.h"
 #include "ext_gemm.h"
 #include "ext_norm.h"
 #include "ext_rope.h"
@@ -86,6 +87,11 @@ PYBIND11_MODULE(TORCH_EXTENSION_NAME, m)
 //    m.def("array_fp16_to_fp8_ref", &array_fp16_to_fp8_ref, "array_fp16_to_fp8_ref");
 //    m.def("array_fp8_to_fp16_ref", &array_fp8_to_fp16_ref, "array_fp8_to_fp16_ref");
 
+    // hadamard
+
+    m.def("had_paley", &had_paley, "had_paley");
+    m.def("had_paley2", &had_paley2, "had_paley2");
+
     // gemm
 
     m.def("gemm_half_half_half", &gemm_half_half_half, "gemm_half_half_half");

exllamav2/exllamav2_ext/ext_hadamard.cpp

@@ -0,0 +1,118 @@
+#include <torch/extension.h>
+#include <cstdint>
+#include <cstdio>
+#include <pybind11/pybind11.h>
+#include <pybind11/stl.h>
+
+#include "config.h"
+#include "cpp/util.h"
+
+#define HALF_P 0x3C00
+#define HALF_N 0xBC00
+#define HALF_PP 0x3C003C00
+#define HALF_PN 0xBC003C00
+#define HALF_NP 0x3C00BC00
+#define HALF_NN 0xBC00BC00
+
+inline int pmod(int a, int b)
+{
+    int ret = a % b;
+    if (ret < 0 && b > 0) ret += b;
+    return ret;
+}
+
+inline int modular_pow(int base, int exp, int mod)
+{
+    int result = 1;
+    base = pmod(base, mod);
+    while (exp > 0)
+    {
+        if (exp % 2 == 1) result = pmod((result * base), mod);
+        exp = exp >> 1;
+        base = pmod((base * base), mod);
+    }
+    return result;
+}
+
+inline bool is_quadratic_residue(int a, int p)
+{
+    return modular_pow(a, (p - 1) / 2, p) == 1;
+}
+
+// Paley construction
+
+void had_paley
+(
+    torch::Tensor h
+)
+{
+    TORCH_CHECK_DTYPE(h, kHalf);
+    TORCH_CHECK_SHAPES(h, 0, h, 1, 1);
+    TORCH_CHECK(h.is_contiguous());
+    int n = h.size(0);
+    int p = n - 1;
+    uint16_t* ptr = (uint16_t*) h.data_ptr();
+
+    for (int j = 0; j < n; ++j)
+        *ptr++ = HALF_P;
+
+    for (int i = 0; i < p; ++i)
+    {
+        *ptr++ = HALF_N;
+        for (int j = 0; j < p; ++j)
+        {
+            if (i == j) *ptr++ = HALF_P;
+            else
+            {
+                int residue = pmod(i - j, p);
+                if (is_quadratic_residue(residue, p))
+                    *ptr++ = HALF_P;
+                else
+                    *ptr++ = HALF_N;
+            }
+        }
+    }
+}
+
+// Paley construction, type 2
+
+void had_paley2
+(
+    torch::Tensor h
+)
+{
+    TORCH_CHECK_DTYPE(h, kHalf);
+    TORCH_CHECK_SHAPES(h, 0, h, 1, 1);
+    int n = h.size(0);
+    int p = n / 2 - 1;
+    uint32_t* ptr0 = (uint32_t*) h.data_ptr();
+    uint32_t* ptr1 = ptr0 + n / 2;
+
+    for (int i = 0; i < n / 2; ++i)
+    {
+        for (int j = 0; j < n / 2; ++j)
+        {
+            if (i == j)
+            {
+                *ptr0++ = HALF_PN;
+                *ptr1++ = HALF_NN;
+            }
+            else
+            {
+                int residue = pmod(i - j, p);
+                if (i == 0 || j == 0 || is_quadratic_residue(residue, p))
+                {
+                    *ptr0++ = HALF_PP;
+                    *ptr1++ = HALF_PN;
+                }
+                else
+                {
+                    *ptr0++ = HALF_NN;
+                    *ptr1++ = HALF_NP;
+                }
+            }
+        }
+        ptr0 += n / 2;
+        ptr1 += n / 2;
+    }
+}

exllamav2/exllamav2_ext/ext_hadamard.h

@@ -0,0 +1,10 @@
+
+void had_paley
+(
+    torch::Tensor h
+);
+
+void had_paley2
+(
+    torch::Tensor h
+);

exllamav2/ext.py

@@ -110,6 +110,7 @@ if build_jit:
         "ext_bindings.cpp",
         "ext_cache.cpp",
         "ext_gemm.cpp",
+        "ext_hadamard.cpp",
         "ext_norm.cpp",
         "ext_qattn.cpp",
         "ext_qmatrix.cpp",

exllamav2/hadamard/hadamard.py

@@ -0,0 +1,152 @@
+from __future__ import annotations
+import torch
+import os, glob
+from functools import lru_cache
+from exllamav2.ext import exllamav2_ext as ext_c
+
+had_dict: dict[int: torch.Tensor] | None = {}
+primes: set[int]
+
+def load_constants():
+    global had_dict, primes
+
+    module_dir = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
+    file_pattern = os.path.join(module_dir, 'hadamard_*.txt')
+    files = glob.glob(file_pattern)
+    had_dict = {}
+
+    for file_path in files:
+        with open(file_path, 'r') as file:
+            lines = file.readlines()
+            lines = [line.strip() for line in lines if line.strip()]
+            dim = len(lines)
+            assert all(len(line) == dim for line in lines), "Non-square matrix in " + file_path
+            matrix = [[1 if char == '+' else -1 for char in line] for line in lines]
+            tensor = torch.tensor(matrix, dtype = torch.float16)
+            had_dict[dim] = tensor
+
+    prime_path = os.path.join(module_dir, 'primes.txt')
+    with open(prime_path, "r") as f:
+        lines = f.readlines()
+        primes = set([int(line) for line in lines if line.strip()])
+
+load_constants()
+
+def sylvester(h: torch.Tensor):
+    d = h.shape[0]
+    assert d == h.shape[1], "h not square"
+    s = torch.empty((d * 2, d * 2), dtype = h.dtype, device = h.device)
+    s[:d, :d] = h
+    s[:d, d:] = h
+    s[d:, :d] = h
+    s[d:, d:] = -h
+    return s
+
+def is_quadratic_residue(a: int, p: int):
+    return pow(a, (p - 1) // 2, p) == 1
+
+def paley_torch(n: int):
+    h = torch.empty((n, n), dtype = torch.half)
+    p = n - 1
+    for i in range(p):
+        for j in range(p):
+            if i == j:
+                h[i + 1][j + 1] = 1
+            else:
+                residue = (i - j) % p
+                if is_quadratic_residue(residue, p):
+                    h[i + 1][j + 1] = 1
+                else:
+                    h[i + 1][j + 1] = -1
+    h[0, :] = 1
+    h[:, 0] = -1
+    h[0, 0] = 1
+    return h
+
+def paley(n: int):
+    h = torch.empty((n, n), dtype = torch.half)
+    ext_c.had_paley(h)
+    # ref = paley_torch(n)
+    # assert torch.all(h == ref)
+    return h
+
+def paley2_torch(n: int):
+    h = torch.empty((n, n), dtype = torch.half)
+    p = n // 2 - 1
+    for i in range(n // 2):
+        i0 = 2 * i + 0
+        i1 = 2 * i + 1
+        for j in range(n // 2):
+            j0 = 2 * j + 0
+            j1 = 2 * j + 1
+            if j == i:
+                h[i0, j0] = 1
+                h[i0, j1] = -1
+                h[i1, j0] = -1
+                h[i1, j1] = -1
+            else:
+                residue = (i - j) % p
+                if i == 0 or j == 0 or is_quadratic_residue(residue, p):
+                    h[i0, j0] = 1
+                    h[i0, j1] = 1
+                    h[i1, j0] = 1
+                    h[i1, j1] = -1
+                else:
+                    h[i0, j0] = -1
+                    h[i0, j1] = -1
+                    h[i1, j0] = -1
+                    h[i1, j1] = 1
+    return h
+
+def paley2(n: int):
+    h = torch.empty((n, n), dtype = torch.half)
+    ext_c.had_paley2(h)
+    # ref = paley2_torch(n)
+    # assert torch.all(h == ref)
+    return h
+
+@lru_cache(maxsize = 100)
+def get_hadamard(n: int):
+    global had_dict, primes
+
+    if n in had_dict: return had_dict[n]
+
+    # Sylvester's construction
+    if n % 2 == 0:
+        s = get_hadamard(n // 2)
+        if s is not None:
+            s = sylvester(s)
+            return s
+
+    # Paley construction
+    if n % 4 == 0 and (n - 1) % 4 == 3 and (n - 1) in primes:
+        return paley(n)
+
+    # Other Paley construction
+    if n % 4 == 0 and (n // 2) - 1 in primes:
+        return paley2(n)
+
+    return None
+
+def assert_hadamard(h):
+    h = h.cuda()
+    n = h.shape[0]
+    assert n == h.shape[1], "h is not square"
+    assert torch.all((h == 1) | (h == -1)), "h entries are not all +1 or -1"
+    si = n * torch.eye(n, dtype = h.dtype, device = h.device)
+    gram = h @ h.T
+    # print (si)
+    # print (gram)
+    assert torch.allclose(si, gram), "h rows are not mutually orthogonal"
+
+def test_hadamard_dims(min_dim: int, max_dim: int, step: int):
+
+    for dim in range(min_dim, max_dim, step):
+        h = get_hadamard(dim)
+        if h is None:
+            print(f"No hadamard matrix for n = {dim}")
+        else:
+            # print(f"Testing n = {dim}")
+            assert_hadamard(h)
+
+# test_hadamard_dims(128, 16384, 128)

exllamav2/hadamard/hadamard_1.txt

@@ -0,0 +1 @@
++

exllamav2/hadamard/hadamard_100.txt

@@ -0,0 +1,100 @@
++-++++----++--++----++++-+++-+++---+-++-+---+++-+++-++-+++-++----++-+++-++-+--++-+-+--------+-+-++--
+-+-++++----++--++----++++++++-+++---+-++-+---+++-+-+-++-+++-++----++-+++-++-+--++-+-+--------+-+-++-
++-+-++++----++--++----++++++++-+++---+-++-+---+++-+-+-++-+++-++----++-+++-+--+--++-+-+--------+-+-++
+++-+-++++----++--++----++-+++++-+++---+-++-+---+++++-+-++-+++-++----++-+++-+--+--++-+-+--------+-+-+
++++-+-++++----++--++----++-+++++-+++---+-++-+---++-++-+-++-+++-++----++-+++++--+--++-+-+--------+-+-
+++++-+-++++----++--++----++-+++++-+++---+-++-+---++-++-+-++-+++-++----++-++-++--+--++-+-+--------+-+
+-++++-+-++++----++--++---+++-+++++-+++---+-++-+---++-++-+-++-+++-++----++-++-++--+--++-+-+--------+-
+--++++-+-++++----++--++---+++-+++++-+++---+-++-+--+++-++-+-++-+++-++----++--+-++--+--++-+-+--------+
+---++++-+-++++----++--++---+++-+++++-+++---+-++-+--+++-++-+-++-+++-++----+++-+-++--+--++-+-+--------
+----++++-+-++++----++--++---+++-+++++-+++---+-++-++-+++-++-+-++-+++-++----+-+-+-++--+--++-+-+-------
++----++++-+-++++----++--++---+++-+++++-+++---+-++-++-+++-++-+-++-+++-++------+-+-++--+--++-+-+------
+++----++++-+-++++----++---+---+++-+++++-+++---+-++-++-+++-++-+-++-+++-++------+-+-++--+--++-+-+-----
+-++----++++-+-++++----++-+-+---+++-+++++-+++---+-+--++-+++-++-+-++-+++-++------+-+-++--+--++-+-+----
+--++----++++-+-++++----++++-+---+++-+++++-+++---+----++-+++-++-+-++-+++-++------+-+-++--+--++-+-+---
++--++----++++-+-++++----+-++-+---+++-+++++-+++---+----++-+++-++-+-++-+++-++------+-+-++--+--++-+-+--
+++--++----++++-+-++++----+-++-+---+++-+++++-+++---+----++-+++-++-+-++-+++-+-------+-+-++--+--++-+-+-
+-++--++----++++-+-++++----+-++-+---+++-+++++-+++--++----++-+++-++-+-++-+++---------+-+-++--+--++-+-+
+--++--++----++++-+-++++----+-++-+---+++-+++++-+++--++----++-+++-++-+-++-++++--------+-+-++--+--++-+-
+---++--++----++++-+-++++----+-++-+---+++-+++++-++++-++----++-+++-++-+-++-++-+--------+-+-++--+--++-+
+----++--++----++++-+-+++++---+-++-+---+++-+++++-++++-++----++-+++-++-+-++-++-+--------+-+-++--+--++-
++----++--++----++++-+-+++++---+-++-+---+++-+++++-++++-++----++-+++-++-+-++--+-+--------+-+-++--+--++
+++----++--++----++++-+-+++++---+-++-+---+++-+++++--+++-++----++-+++-++-+-+++-+-+--------+-+-++--+--+
++++----++--++----++++-+-+-+++---+-++-+---+++-++++++-+++-++----++-+++-++-+-+++-+-+--------+-+-++--+--
+++++----++--++----++++-+-+-+++---+-++-+---+++-++++++-+++-++----++-+++-++-+--++-+-+--------+-+-++--+-
+-++++----++--++----++++-+++-+++---+-++-+---+++-+++-++-+++-++----++-+++-++-+--++-+-+--------+-+-++--+
+---+---+++-+--+-+++---+--+-++++----++--++----++++--++--+-+-++++++++-+-+--+++-++-+++-++----++-+++-++-
+----+---+++-+--+-+++---+--+-++++----++--++----+++++-++--+-+-++++++++-+-+--+-+-++-+++-++----++-+++-++
+-----+---+++-+--+-+++---++-+-++++----++--++----+++++-++--+-+-++++++++-+-+--+-+-++-+++-++----++-+++-+
++-----+---+++-+--+-+++---++-+-++++----++--++----++-++-++--+-+-++++++++-+-+-++-+-++-+++-++----++-+++-
+-+-----+---+++-+--+-+++--+++-+-++++----++--++----+--++-++--+-+-++++++++-+-+-++-+-++-+++-++----++-+++
+--+-----+---+++-+--+-+++-++++-+-++++----++--++----+--++-++--+-+-++++++++-+-+-++-+-++-+++-++----++-++
+---+-----+---+++-+--+-+++-++++-+-++++----++--++----+--++-++--+-+-++++++++-+++-++-+-++-+++-++----++-+
++---+-----+---+++-+--+-++--++++-+-++++----++--++--+-+--++-++--+-+-++++++++-+++-++-+-++-+++-++----++-
+++---+-----+---+++-+--+-+---++++-+-++++----++--++--+-+--++-++--+-+-++++++++-+++-++-+-++-+++-++----++
++++---+-----+---+++-+--+-----++++-+-++++----++--+++-+-+--++-++--+-+-++++++++-+++-++-+-++-+++-++----+
+-+++---+-----+---+++-+--++----++++-+-++++----++--+++-+-+--++-++--+-+-++++++++-+++-++-+-++-+++-++----
++-+++---+-----+---+++-+--++----++++-+-++++----++--+++-+-+--++-++--+-+-+++++-++-+++-++-+-++-+++-++---
+-+-+++---+-----+---+++-+--++----++++-+-++++----++-++++-+-+--++-++--+-+-++++--++-+++-++-+-++-+++-++--
+--+-+++---+-----+---+++-+--++----++++-+-++++----+++++++-+-+--++-++--+-+-+++---++-+++-++-+-++-+++-++-
++--+-+++---+-----+---+++-+--++----++++-+-++++----+++++++-+-+--++-++--+-+-++----++-+++-++-+-++-+++-++
+-+--+-+++---+-----+---+++++--++----++++-+-++++----+++++++-+-+--++-++--+-+-++----++-+++-++-+-++-+++-+
++-+--+-+++---+-----+---++-++--++----++++-+-++++---++++++++-+-+--++-++--+-+-++----++-+++-++-+-++-+++-
+++-+--+-+++---+-----+---+--++--++----++++-+-++++---++++++++-+-+--++-++--+-+-++----++-+++-++-+-++-+++
++++-+--+-+++---+-----+------++--++----++++-+-++++-+-++++++++-+-+--++-++--+-+-++----++-+++-++-+-++-++
+-+++-+--+-+++---+-----+------++--++----++++-+-++++-+-++++++++-+-+--++-++--+++-++----++-+++-++-+-++-+
+--+++-+--+-+++---+-----+-+----++--++----++++-+-++++-+-++++++++-+-+--++-++--+++-++----++-+++-++-+-++-
+---+++-+--+-+++---+-----+++----++--++----++++-+-++-+-+-++++++++-+-+--++-++--+++-++----++-+++-++-+-++
++---+++-+--+-+++---+-----+++----++--++----++++-+-+--+-+-++++++++-+-+--++-+++-+++-++----++-+++-++-+-+
+-+---+++-+--+-+++---+----++++----++--++----++++-+-+--+-+-++++++++-+-+--++-+++-+++-++----++-+++-++-+-
+--+---+++-+--+-+++---+----++++----++--++----++++-+++--+-+-++++++++-+-+--++--++-+++-++----++-+++-++-+
+-+--+---+--++++--+---+--++--++-+-+--------+-+-++--+-++++----++--++----++++----+---+++-+--+-+++---+--
++-+--+---+--++++--+---+---+--++-+-+--------+-+-++--+-++++----++--++----++++----+---+++-+--+-+++---+-
+-+-+--+---+--++++--+---+---+--++-+-+--------+-+-+++-+-++++----++--++----+++-----+---+++-+--+-+++---+
+--+-+--+---+--++++--+---++--+--++-+-+--------+-+-+++-+-++++----++--++----+++-----+---+++-+--+-+++---
++--+-+--+---+--++++--+---++--+--++-+-+--------+-+-+++-+-++++----++--++----+-+-----+---+++-+--+-+++--
+-+--+-+--+---+--++++--+---++--+--++-+-+--------+-+++++-+-++++----++--++------+-----+---+++-+--+-+++-
+--+--+-+--+---+--++++--+-+-++--+--++-+-+--------+--++++-+-++++----++--++------+-----+---+++-+--+-+++
+---+--+-+--+---+--++++--+-+-++--+--++-+-+--------+--++++-+-++++----++--++--+---+-----+---+++-+--+-++
++---+--+-+--+---+--++++--+-+-++--+--++-+-+-----------++++-+-++++----++--++-++---+-----+---+++-+--+-+
+-+---+--+-+--+---+--++++--+-+-++--+--++-+-+-----------++++-+-++++----++--+++++---+-----+---+++-+--+-
+--+---+--+-+--+---+--++++--+-+-++--+--++-+-+------+----++++-+-++++----++--+-+++---+-----+---+++-+--+
++--+---+--+-+--+---+--+++---+-+-++--+--++-+-+-----++----++++-+-++++----++--+-+++---+-----+---+++-+--
+++--+---+--+-+--+---+--++----+-+-++--+--++-+-+-----++----++++-+-++++----++--+-+++---+-----+---+++-+-
++++--+---+--+-+--+---+--+-----+-+-++--+--++-+-+-----++----++++-+-++++----++--+-+++---+-----+---+++-+
+++++--+---+--+-+--+---+--------+-+-++--+--++-+-+--+--++----++++-+-++++----++--+-+++---+-----+---+++-
+-++++--+---+--+-+--+---+--------+-+-++--+--++-+-+-++--++----++++-+-++++-----+--+-+++---+-----+---+++
+--++++--+---+--+-+--+---+--------+-+-++--+--++-+-+-++--++----++++-+-++++---+-+--+-+++---+-----+---++
++--++++--+---+--+-+--+---+--------+-+-++--+--++-+---++--++----++++-+-++++--++-+--+-+++---+-----+---+
+-+--++++--+---+--+-+--+---+--------+-+-++--+--++-+---++--++----++++-+-++++-+++-+--+-+++---+-----+---
+--+--++++--+---+--+-+--+-+-+--------+-+-++--+--++-----++--++----++++-+-++++-+++-+--+-+++---+-----+--
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exllamav2/hadamard/hadamard_156.txt

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exllamav2/hadamard/hadamard_236.txt

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exllamav2/hadamard/hadamard_428.txt

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exllamav2/hadamard/hadamard_52.txt

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exllamav2/hadamard/hadamard_92.txt

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setup.py

@@ -34,6 +34,7 @@ setup_kwargs = {
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_bindings.cpp",
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_cache.cpp",
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_gemm.cpp",
+                "exllamav2/exllamav2_ext/ext_hadamard.cpp",
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_norm.cpp",
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_qattn.cpp",
                 "exllamav2/exllamav2_ext/ext_qmatrix.cpp",