jax.extend：扩展模块#
@froystig, @sharadmv, @jakevdp, @yashk2810
2023 年 5 月
import jax.extend as jex
一些项目依赖 JAX 的代码库内部，通常是为了使用其核心机制（例如，编写一个在其 IR 上的转换）或扩展它（例如，定义新的原语）。这些依赖的两个挑战是（a）我们的内部结构并非都为外部使用而稳固设计，以及（b）规避 JAX 的公共 API 是不支持的。换句话说，我们的内部结构通常像库一样被使用，但既没有像库那样进行结构化，也没有像库那样进行更新。
本提案考虑引入一个 jax.extend 模块，该模块定义 JAX 的一些内部组件的库视图。我们会将其视为第二层 API，仍然保证基本上没有兼容性策略，但希望使其更容易在发生更改时发现。
jax.extend 的受众包括 JAX 相邻的 Python 库，如 Oryx、jax-triton 和许多其他库，以及试验函数转换、自动微分系统、数值编程的编译器前端等项目。
本说明概述了 jax.extend 现在和最终可能的样子。它没有详细阐述，而是建议我们开始迭代开发该模块。
请注意，jax.extend 与 jax.experimental 不同，后者是正在进行的新特性和想法的试验场。通常，jax.experimental 中的工作最终会进入另一个 JAX 模块，或者被完全删除。
无兼容性策略#
为了保持较低的开发开销，jax.extend 不会遵循公共的 API 兼容性策略。它不会承诺弃用窗口，也不会承诺版本之间的向后兼容性。每个版本都可能在没有简单补救措施的情况下（例如，没有重新引入先前行为的标志）破坏现有的调用者。我们将依靠 更新日志来指出此类更改。
需要随着 JAX 版本定期升级其代码的 jax.extend 调用者可能会发现，在版本之间将 JAX 版本固定为一个中间步骤很有用。这是目前依赖 JAX 内部结构的项目的常见习惯。不同之处在于，它现在会借助更新日志公告以及在库设计和命名方面更好的意图。
迭代开发#
没有兼容性策略使得开始实现更容易：在第一天，我们可以从内部包（如 jax._src）和今天的 jax.core 和 jax.interpreters 中移动一些符号。然后我们可以迭代地改进这些东西。
可能的模块概述#
我们可以想象，最终 jax.extend 将包括以下模块
core– 原语、Jaxpr IR 等。interpreters– 核心转换（例如，自动微分、批处理）和降级。random– 随机位生成、密钥拆分和折叠、密钥数组。sharding– 围绕分布式数组的额外功能。
我们最初可能还在模块中包含其他符号，例如 jex.api_util，因为我们正在努力删除或替换它们。其他内容将及时决定。例如，jex.lib 可以提供 jaxlib 的入口点（并且会在短期内这样做），但目前尚不清楚我们是否要长期保留它。
以下是关于这些模块各自可能包含的内容的一些初步想法。
jax.extend.core#
这应该至少使调用者能够定义新的 JAX 原语并处理 Jaxpr IR（jax.make_jaxpr(...) 的输出）。支持这一点可能需要提供
访问现有的核心系统原语，例如今天的
jax._src.lax.add_p。访问 IR 类型，例如当前的
jax._src.core.ShapedArray。用于检查和漂亮打印 jaxpr 的函数。
用于显式构建 jaxpr 的函数，而不是通过
jax.make_jaxpr（或不！）暂存 Python 函数。
在初始化时，此模块将包含比定义原语和规则所需更多的符号，包括在设置 “最终样式转换”时使用的各种名称，例如当前的 jax._src.core.Trace 和 Tracer 类。我们可以重新审视 jex.core 是否也应该支持最终样式扩展以及初始样式方法，以及它是否可以通过比完全暴露 Trace 和 Tracer 更窄的 API 来做到这一点。Oryx 可能有助于指导这些决策。
我们还可以考虑将 make_jaxpr 本身重新定位到 jex.core。
jax.extend.interpreters#
此模块将提供一种注册原语的各种转换规则的方法——定义它们在 AD、批处理、降级等下的行为。
它最初将反映 jax._src.interpreters，提供模块 ad、batching、partial_eval（用于将 Python 暂存为 Jaxpr 以及用于 AD 中的线性化）、mlir、pxla 和 xla。前三个可能会被 jex.core 中的单个原语扩展 API 所取代。后三个用于降级，可以简化为一个模块，也许。
今天，要编写转换规则，例如用于 AD 和批处理，调用者可能需要与跟踪器相关的符号，例如 JVPTracer 和 BatchTracer。这在以后可能是可以避免的，并允许我们从 jex 中删除跟踪器类型。
此模块加上 jex.core 应该足以复制今天的自定义原语教程（例如 我们的教程 和 dfm 的教程）。例如，定义一个原语及其在 jax.jit 下的行为，在短期内可以按如下方式进行
from jax.extend import core # Previously: from jax import core
from jax.extend.interpreters import mlir # ... and similarly
mul_add_p = core.Primitive('mul_add')
mul_add_p.def_impl(lambda x, y, z: x * y + z)
@mul_add_p.def_abstract_eval
def mul_add_abstract(x_sa, y_sa, z_sa):
return core.ShapedArray(x_sa.shape, x_sa.dtype)
def mul_add_mlir(ctx, xc, yc, zc):
add = mlir.hlo.AddOp
mul = mlir.hlo.MulOp
return add(mul(xc, yc), zc).results
mlir.register_lowering(mul_add_p, mul_add_mlir)
import jax
print(mul_add_p.bind(2, 3, 4)) # -> 10
print(jax.jit(mul_add_p.bind)(2, 3, 4)) # -> Array(10, dtype=int32)
jax.extend.random#
此模块可以公开我们用于定义新 RNG 实现的机制，以及用于处理 PRNG 密钥内部结构的函数（请参阅问题 #9263），例如当前的 jax._src.prng.random_wrap 和 random_unwrap。
它还可以公开内置 RNG 实现的基础的密钥哈希函数，例如 jax._src.prng.threefry_2x32。
jax.extend.sharding#
此模块可以公开用于分片分布式数组的底层实用程序。
我们现在只有一个想法。XLA 编译器的数组分片格式比 JAX 提供的格式更具表现力。我们可以将其作为 jex.sharding.XlaOpShardingProto 提供，对应于内部的今天的 jax._src.lib.xla_client.OpSharding。