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摘要：长期以来，$k$-means主要被视为一种离线处理原语，通常用于数据集组织或嵌入预处理，而非作为在线系统中的一等组件。本研究在现代人工智能系统设计的视角下重新审视了这一经典算法，使其能够作为在线处理原语。我们指出，现有的GPU版$k$-means实现根本上受限于底层系统约束，而非理论算法复杂度。具体而言，在分配阶段，由于需要在高速带宽内存中显式生成庞大的$N \times K$距离矩阵，导致严重的I/O瓶颈。与此同时，质心更新阶段则因不规则的、分散式的标记聚合所引发的硬件级原子写争用而严重受罚。为弥合这一性能鸿沟，我们提出了flash-kmeans，一个针对现代GPU工作负载设计的、具有I/O感知且无争用的$k$-means实现。Flash-kmeans引入了两项核心的内核级创新：(1) FlashAssign，该技术将距离计算与在线argmin操作融合，完全避免了中间结果的显式内存存储；(2) 排序逆映射更新，该方法显式构建一个逆映射，将高争用的原子分散操作转化为高带宽的、分段级别的局部归约。此外，我们集成了算法-系统协同设计，包括分块流重叠和缓存感知的编译启发式方法，以确保实际可部署性。在NVIDIA H200 GPU上进行的大量评估表明，与最佳基线方法相比，flash-kmeans实现了高达17.9倍的端到端加速，同时分别以33倍和超过200倍的性能优势超越了行业标准库（如cuML和FAISS）。
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