Efficient PyTorch band matrix to dense matrix multiplication

Problem: In one of my programs, I need to calculate a matrix multiplication A @ B where both are of size N by N for considerably large N. I’m conjecturing that approximating this product by using band_matrix(A, width) @ B could just suffice the needs, where band_matrix(A, width) denotes a band matrix part of A with width width. For example, width = 0 gives the diagonal matrix with diagonal elements taken from A and width = 1 gives the tridiagonal matrix taken in a similar manner.

My try: I’m trying to extract the tridiagonal matrix, for instance, in the following way:

# Step 1: Extract the main diagonal
main_diag = torch.diagonal(A, dim1=-2, dim2=-1)  # Shape: [d1, d2, N]

# Step 2: Extract the upper diagonal (offset=1)
upper_diag = torch.diagonal(A, offset=1, dim1=-2, dim2=-1)  # Shape: [d1, d2, N-1]

# Step 3: Extract the lower diagonal (offset=-1)
lower_diag = torch.diagonal(A, offset=-1, dim1=-2, dim2=-1)  # Shape: [d1, d2, N-1]

# Step 4: Reconstruct the tridiagonal matrix
# Main diagonal
tridiag = torch.diag_embed(main_diag)  # Shape: [d1, d2, N, N]

# Upper diagonal (shift the values to create the first upper diagonal)
tridiag += torch.diag_embed(upper_diag, offset=1)

# Lower diagonal (shift the values to create the first lower diagonal)
tridiag += torch.diag_embed(lower_diag, offset=-1)

but I’m not sure if tridiag @ B would be much more efficient than the original A @ B or just the same complexity since Torch may not know the specific structure to tridiag. In theory, computation with a tridiagonal matrix should be N times faster.


Any help with understanding PyTorch’s behaviour in this type of scenario or implementing some alternative GPU optimized approaches would be greatly appreciated.

1

To perform efficient matrix multiplication with a tridiagonal matrix on the GPU using PyTorch, you can try those leads :

  • Use batched tridiagonal matrix multiplication: PyTorch provides some support for batched operations on banded matrices using torch.bmm (batched matrix-matrix multiplication), but it requires you to handle the band structure yourself. For a tridiagonal matrix, we only need to store the main, upper, and lower diagonals.
  • Custom implementation with CUDA kernels or use specialized libraries: For more advanced optimization, consider writing custom CUDA kernels for tridiagonal matrix multiplication or use specialized libraries like cuSPARSE or SciPy.

I try an approach of it :

import torch

def band_matrix_mult(A: torch.Tensor, B: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """
    Multiplies a tridiagonal matrix A with matrix B, assuming A is tridiagonal.
    
    Args:
    - A (torch.Tensor): Tridiagonal matrix of shape (N, N).
    - B (torch.Tensor): Matrix to multiply with A, of shape (N, M).

    Returns:
    - torch.Tensor: Resulting matrix of shape (N, M).
    """
    N, M = B.shape

    # Extract diagonals from A
    main_diag = torch.diagonal(A)  # Shape: [N]
    upper_diag = torch.diagonal(A, offset=1)  # Shape: [N-1]
    lower_diag = torch.diagonal(A, offset=-1)  # Shape: [N-1]

    # Initialize result matrix
    result = torch.zeros_like(B)

    # Multiply main diagonal
    result += main_diag.unsqueeze(-1) * B

    # Multiply upper diagonal
    result[:-1] += upper_diag.unsqueeze(-1) * B[1:]

    # Multiply lower diagonal
    result[1:] += lower_diag.unsqueeze(-1) * B[:-1]

    return result

# Example usage
N = 5
A = torch.tensor([[2., 3., 0., 0., 0.],
                  [1., 2., 3., 0., 0.],
                  [0., 1., 2., 3., 0.],
                  [0., 0., 1., 2., 3.],
                  [0., 0., 0., 1., 2.]])
B = torch.randn((5, 4))

# Efficient tridiagonal multiplication
result = band_matrix_mult(A, B)
print(result)

if we talk about performance :
This custom function leverages the tridiagonal structure for efficiency and should have a time complexity of
𝑂(𝑁^2⋅𝑀), which is significantly better than the 𝑂(𝑁^3) complexity of dense matrix multiplication.

If you’re working with extremely large matrices or need even more performance optimization, consider using GPU-based libraries or writing a custom CUDA kernel to take full advantage of GPU parallelism for sparse matrix operations.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật