CANN Bench交叉熵损失算子评测

CrossEntropyLoss 算子 API 描述

【免费下载链接】cann-bench评测AI在处理CANN领域代码任务的能力，涵盖算子生成、算子优化等领域，支撑模型选型、训练效果评估，统一量化评估标准，识别Agent能力短板，构建CANN领域评测平台，推动AI能力在CANN领域的持续演进。项目地址: https://gitcode.com/cann/cann-bench

1. 算子简介

计算交叉熵损失，用于分类任务。

主要应用场景：

• 多分类任务的损失函数（图像分类、文本分类等）
• 语言模型的 next-token 预测训练
• 支持硬标签（类别索引）和软标签（概率分布）两种模式

算子特征：

• 难度等级：L2（NumericalStable）
• 双输入（logits 和 target）单输出（loss），涉及 softmax、对数、归约等多步计算
• 输入 x 为 (N, C) 或更高维的 logits 张量，target 为 (N,) 的类别索引或 (N, C) 的软标签

2. 算子定义

数学公式

基本公式：

$$ L = -\log\left(\frac{\exp(x_{target})}{\sum_{j}\exp(x_j)}\right) $$

等价于：

$$ L = -x_{target} + \log\left(\sum_{j}\exp(x_j)\right) $$

带权重的公式：

$$ L = -weight_{target} \cdot \log\left(\frac{\exp(x_{target})}{\sum_{j}\exp(x_j)}\right) $$

其中：

• reduction='none'时返回每个样本的损失，shape 为 (N,)
• reduction='mean'时返回 batch 平均损失（标量）
• reduction='sum'时返回 batch 总损失（标量）
• ignore_index指定的标签不参与损失计算

3. 接口规范

算子原型

cann_bench.cross_entropy_loss(Tensor x, Tensor target, str reduction, int ignore_index) -> Tensor loss

输入参数说明

输出

数据类型

规则与约束

• x 的 shape 为 (N, C) 或 (N, C, d1, d2, ...)，其中 N 为 batch size，C 为类别数
• 硬标签模式：target 的 shape 为 (N,) 或 (N, d1, d2, ...)，值为 [0, C) 范围内的类别索引
• 软标签模式：target 的 shape 为 (N, C)，值为概率分布
• ignore_index仅在硬标签模式下生效
• 输入 x 应为原始 logits（未经 softmax），内部自动应用 log_softmax
• 需注意数值稳定性：内部实现应使用 log-sum-exp 技巧避免溢出

支持范围

输入 tensor 各维度与参数的支持范围：

约束：硬标签模式下 target 各元素取值范围为 [0, C) 或等于ignore_index；软标签模式下 target 形状须与 x 完全一致。

4. 精度要求

采用生态算子精度标准进行验证。

误差指标：

1. 平均相对误差（MERE）：采样点中相对误差平均值

   $$ \text{MERE} = \text{avg}(\frac{\text{abs}(actual - golden)}{\text{abs}(golden)+\text{1e-7}}) $$

2. 最大相对误差（MARE）：采样点中相对误差最大值

   $$ \text{MARE} = \max(\frac{\text{abs}(actual - golden)}{\text{abs}(golden)+\text{1e-7}}) $$

通过标准：

当平均相对误差 MERE < Threshold，最大相对误差 MARE < 10 * Threshold 时判定为通过。

5. 标准 Golden 代码

import torch """ CrossEntropyLoss 算子 Torch Golden 参考实现 计算交叉熵损失，用于分类任务 公式: L = -log(exp(x[target]) / sum(exp(x))) 或带 weight: L = -weight[target] * log(exp(x[target]) / sum(exp(x))) 参考 PyTorch API: torch.nn.CrossEntropyLoss https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.CrossEntropyLoss.html Parameters: - input: (N, C) 或 (N, C, H, W) 等 - logits 张量（未经 softmax） - target: (N,) 硬标签 或 (N, C) 软标签（概率分布） - weight: (C,) 各类别的权重（可选） - ignore_index: int, 默认 -100 - 忽略的标签索引 - reduction: 'none' | 'mean' | 'sum', 默认 'mean' - 损失聚合方式 """ def cross_entropy_loss( x: torch.Tensor, target: torch.Tensor, reduction: str = 'mean', ignore_index: int = -100 ) -> torch.Tensor: """ 计算交叉熵损失 Args: x: 输入 logits 张量，shape (N, C) 或 (N, C, d1, d2, ...) N = batch size, C = 类别数（channel_first 约定） 注意：输入应为 logits（未经 softmax），内部会自动应用 log_softmax target: 目标标签 - 硬标签：shape (N,) 或 (N, d1, d2, ...)，值为类别索引 - 软标签：shape (N, C)，值为概率分布 reduction: 损失聚合方式 'none': 返回每个样本的损失，shape (N,) 'mean': 返回 batch 平均损失 'sum': 返回 batch 总损失 ignore_index: 忽略的标签索引 当 target 为硬标签且值为 ignore_index 时，该样本不计入损失 Returns: 损失值：如果 reduction='none'，返回 shape (N,) 的张量 否则返回标量张量 Examples: >>> N, C = 16, 10 # 16个样本，10个类别 >>> x = torch.randn(N, C) >>> target = torch.randint(0, C, (N,)) >>> loss = cross_entropy_loss(x, target) """ # 直接调用 PyTorch 标准 CrossEntropyLoss 实现 # torch.nn.functional.cross_entropy 内部会自动应用 log_softmax loss = torch.nn.functional.cross_entropy( input=x, target=target, reduction=reduction, ignore_index=ignore_index ) return loss

6. 额外信息

算子调用示例

import torch import cann_bench x = torch.randn(1024, 2048, dtype=torch.float32, device="npu") target = torch.randint(0, 2048, (1024,), dtype=torch.int64, device="npu") loss = cann_bench.cross_entropy_loss(x, target, reduction="mean", ignore_index=-100) loss = cann_bench.cross_entropy_loss(x, target, reduction="sum", ignore_index=-100) loss = cann_bench.cross_entropy_loss(x, target, reduction="none", ignore_index=-100)

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