]> git.sesse.net Git - stockfish/blobdiff - src/nnue/evaluate_nnue.cpp
Rewrite NNUE evaluation adjustments
[stockfish] / src / nnue / evaluate_nnue.cpp
index dfbb1ac25626dbdf2d4f3b53b4628c5be95649b5..6e40deab9ace1f58ae65afcffd5f7b4af9bf5e21 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 /*
   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
-  Copyright (C) 2004-2020 The Stockfish developers (see AUTHORS file)
+  Copyright (C) 2004-2021 The Stockfish developers (see AUTHORS file)
 
   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
   it under the terms of the GNU General Public License as published by
 
 // Code for calculating NNUE evaluation function
 
-#include <fstream>
 #include <iostream>
 #include <set>
+#include <sstream>
+#include <iomanip>
+#include <fstream>
 
 #include "../evaluate.h"
 #include "../position.h"
 #include "../misc.h"
 #include "../uci.h"
+#include "../types.h"
 
 #include "evaluate_nnue.h"
 
-ExtPieceSquare kpp_board_index[PIECE_NB] = {
- // convention: W - us, B - them
- // viewed from other side, W and B are reversed
-    { PS_NONE,     PS_NONE     },
-    { PS_W_PAWN,   PS_B_PAWN   },
-    { PS_W_KNIGHT, PS_B_KNIGHT },
-    { PS_W_BISHOP, PS_B_BISHOP },
-    { PS_W_ROOK,   PS_B_ROOK   },
-    { PS_W_QUEEN,  PS_B_QUEEN  },
-    { PS_W_KING,   PS_B_KING   },
-    { PS_NONE,     PS_NONE     },
-    { PS_NONE,     PS_NONE     },
-    { PS_B_PAWN,   PS_W_PAWN   },
-    { PS_B_KNIGHT, PS_W_KNIGHT },
-    { PS_B_BISHOP, PS_W_BISHOP },
-    { PS_B_ROOK,   PS_W_ROOK   },
-    { PS_B_QUEEN,  PS_W_QUEEN  },
-    { PS_B_KING,   PS_W_KING   },
-    { PS_NONE,     PS_NONE     }
-};
-
-
-namespace Eval::NNUE {
+namespace Stockfish::Eval::NNUE {
 
   // Input feature converter
-  AlignedPtr<FeatureTransformer> feature_transformer;
+  LargePagePtr<FeatureTransformer> featureTransformer;
 
   // Evaluation function
-  AlignedPtr<Network> network;
+  AlignedPtr<Network> network[LayerStacks];
 
   // Evaluation function file name
   std::string fileName;
+  std::string netDescription;
 
   namespace Detail {
 
   // Initialize the evaluation function parameters
   template <typename T>
-  void Initialize(AlignedPtr<T>& pointer) {
+  void initialize(AlignedPtr<T>& pointer) {
 
     pointer.reset(reinterpret_cast<T*>(std_aligned_alloc(alignof(T), sizeof(T))));
     std::memset(pointer.get(), 0, sizeof(T));
   }
 
+  template <typename T>
+  void initialize(LargePagePtr<T>& pointer) {
+
+    static_assert(alignof(T) <= 4096, "aligned_large_pages_alloc() may fail for such a big alignment requirement of T");
+    pointer.reset(reinterpret_cast<T*>(aligned_large_pages_alloc(sizeof(T))));
+    std::memset(pointer.get(), 0, sizeof(T));
+  }
+
   // Read evaluation function parameters
   template <typename T>
-  bool ReadParameters(std::istream& stream, const AlignedPtr<T>& pointer) {
+  bool read_parameters(std::istream& stream, T& reference) {
 
     std::uint32_t header;
     header = read_little_endian<std::uint32_t>(stream);
-    if (!stream || header != T::GetHashValue()) return false;
-    return pointer->ReadParameters(stream);
+    if (!stream || header != T::get_hash_value()) return false;
+    return reference.read_parameters(stream);
+  }
+
+  // Write evaluation function parameters
+  template <typename T>
+  bool write_parameters(std::ostream& stream, const T& reference) {
+
+    write_little_endian<std::uint32_t>(stream, T::get_hash_value());
+    return reference.write_parameters(stream);
   }
 
   }  // namespace Detail
 
   // Initialize the evaluation function parameters
-  void Initialize() {
+  void initialize() {
 
-    Detail::Initialize(feature_transformer);
-    Detail::Initialize(network);
+    Detail::initialize(featureTransformer);
+    for (std::size_t i = 0; i < LayerStacks; ++i)
+      Detail::initialize(network[i]);
   }
 
   // Read network header
-  bool ReadHeader(std::istream& stream, std::uint32_t* hash_value, std::string* architecture)
+  bool read_header(std::istream& stream, std::uint32_t* hashValue, std::string* desc)
   {
     std::uint32_t version, size;
 
     version     = read_little_endian<std::uint32_t>(stream);
-    *hash_value = read_little_endian<std::uint32_t>(stream);
+    *hashValue  = read_little_endian<std::uint32_t>(stream);
     size        = read_little_endian<std::uint32_t>(stream);
-    if (!stream || version != kVersion) return false;
-    architecture->resize(size);
-    stream.read(&(*architecture)[0], size);
+    if (!stream || version != Version) return false;
+    desc->resize(size);
+    stream.read(&(*desc)[0], size);
+    return !stream.fail();
+  }
+
+  // Write network header
+  bool write_header(std::ostream& stream, std::uint32_t hashValue, const std::string& desc)
+  {
+    write_little_endian<std::uint32_t>(stream, Version);
+    write_little_endian<std::uint32_t>(stream, hashValue);
+    write_little_endian<std::uint32_t>(stream, desc.size());
+    stream.write(&desc[0], desc.size());
     return !stream.fail();
   }
 
   // Read network parameters
-  bool ReadParameters(std::istream& stream) {
-
-    std::uint32_t hash_value;
-    std::string architecture;
-    if (!ReadHeader(stream, &hash_value, &architecture)) return false;
-    if (hash_value != kHashValue) return false;
-    if (!Detail::ReadParameters(stream, feature_transformer)) return false;
-    if (!Detail::ReadParameters(stream, network)) return false;
+  bool read_parameters(std::istream& stream) {
+
+    std::uint32_t hashValue;
+    if (!read_header(stream, &hashValue, &netDescription)) return false;
+    if (hashValue != HashValue) return false;
+    if (!Detail::read_parameters(stream, *featureTransformer)) return false;
+    for (std::size_t i = 0; i < LayerStacks; ++i)
+      if (!Detail::read_parameters(stream, *(network[i]))) return false;
     return stream && stream.peek() == std::ios::traits_type::eof();
   }
 
-  // Proceed with the difference calculation if possible
-  static void UpdateAccumulatorIfPossible(const Position& pos) {
+  // Write network parameters
+  bool write_parameters(std::ostream& stream) {
 
-    feature_transformer->UpdateAccumulatorIfPossible(pos);
+    if (!write_header(stream, HashValue, netDescription)) return false;
+    if (!Detail::write_parameters(stream, *featureTransformer)) return false;
+    for (std::size_t i = 0; i < LayerStacks; ++i)
+      if (!Detail::write_parameters(stream, *(network[i]))) return false;
+    return (bool)stream;
   }
 
-  // Calculate the evaluation value
-  static Value ComputeScore(const Position& pos, bool refresh) {
+  // Evaluation function. Perform differential calculation.
+  Value evaluate(const Position& pos, bool adjusted) {
+
+    // We manually align the arrays on the stack because with gcc < 9.3
+    // overaligning stack variables with alignas() doesn't work correctly.
+
+    constexpr uint64_t alignment = CacheLineSize;
+    int delta = 7;
+
+#if defined(ALIGNAS_ON_STACK_VARIABLES_BROKEN)
+    TransformedFeatureType transformedFeaturesUnaligned[
+      FeatureTransformer::BufferSize + alignment / sizeof(TransformedFeatureType)];
+    char bufferUnaligned[Network::BufferSize + alignment];
+
+    auto* transformedFeatures = align_ptr_up<alignment>(&transformedFeaturesUnaligned[0]);
+    auto* buffer = align_ptr_up<alignment>(&bufferUnaligned[0]);
+#else
+    alignas(alignment)
+      TransformedFeatureType transformedFeatures[FeatureTransformer::BufferSize];
+    alignas(alignment) char buffer[Network::BufferSize];
+#endif
+
+    ASSERT_ALIGNED(transformedFeatures, alignment);
+    ASSERT_ALIGNED(buffer, alignment);
+
+    const std::size_t bucket = (pos.count<ALL_PIECES>() - 1) / 4;
+    const auto psqt = featureTransformer->transform(pos, transformedFeatures, bucket);
+    const auto positional = network[bucket]->propagate(transformedFeatures, buffer)[0];
+
+    // Give more value to positional evaluation when material is balanced
+    if (   adjusted
+        && abs(pos.non_pawn_material(WHITE) - pos.non_pawn_material(BLACK)) <= RookValueMg - BishopValueMg)
+      return  static_cast<Value>(((128 - delta) * psqt + (128 + delta) * positional) / 128 / OutputScale);
+    else
+      return static_cast<Value>((psqt + positional) / OutputScale);
+  }
+
+  struct NnueEvalTrace {
+    static_assert(LayerStacks == PSQTBuckets);
+
+    Value psqt[LayerStacks];
+    Value positional[LayerStacks];
+    std::size_t correctBucket;
+  };
+
+  static NnueEvalTrace trace_evaluate(const Position& pos) {
+
+    // We manually align the arrays on the stack because with gcc < 9.3
+    // overaligning stack variables with alignas() doesn't work correctly.
+
+    constexpr uint64_t alignment = CacheLineSize;
+
+#if defined(ALIGNAS_ON_STACK_VARIABLES_BROKEN)
+    TransformedFeatureType transformedFeaturesUnaligned[
+      FeatureTransformer::BufferSize + alignment / sizeof(TransformedFeatureType)];
+    char bufferUnaligned[Network::BufferSize + alignment];
+
+    auto* transformedFeatures = align_ptr_up<alignment>(&transformedFeaturesUnaligned[0]);
+    auto* buffer = align_ptr_up<alignment>(&bufferUnaligned[0]);
+#else
+    alignas(alignment)
+      TransformedFeatureType transformedFeatures[FeatureTransformer::BufferSize];
+    alignas(alignment) char buffer[Network::BufferSize];
+#endif
+
+    ASSERT_ALIGNED(transformedFeatures, alignment);
+    ASSERT_ALIGNED(buffer, alignment);
+
+    NnueEvalTrace t{};
+    t.correctBucket = (pos.count<ALL_PIECES>() - 1) / 4;
+    for (std::size_t bucket = 0; bucket < LayerStacks; ++bucket) {
+      const auto psqt = featureTransformer->transform(pos, transformedFeatures, bucket);
+      const auto output = network[bucket]->propagate(transformedFeatures, buffer);
 
-    auto& accumulator = pos.state()->accumulator;
-    if (!refresh && accumulator.computed_score) {
-      return accumulator.score;
+      int materialist = psqt;
+      int positional  = output[0];
+
+      t.psqt[bucket] = static_cast<Value>( materialist / OutputScale );
+      t.positional[bucket] = static_cast<Value>( positional / OutputScale );
     }
 
-    alignas(kCacheLineSize) TransformedFeatureType
-        transformed_features[FeatureTransformer::kBufferSize];
-    feature_transformer->Transform(pos, transformed_features, refresh);
-    alignas(kCacheLineSize) char buffer[Network::kBufferSize];
-    const auto output = network->Propagate(transformed_features, buffer);
+    return t;
+  }
+
+  static const std::string PieceToChar(" PNBRQK  pnbrqk");
+
 
-    auto score = static_cast<Value>(output[0] / FV_SCALE);
+  // format_cp_compact() converts a Value into (centi)pawns and writes it in a buffer.
+  // The buffer must have capacity for at least 5 chars.
+  static void format_cp_compact(Value v, char* buffer) {
 
-    accumulator.score = score;
-    accumulator.computed_score = true;
-    return accumulator.score;
+    buffer[0] = (v < 0 ? '-' : v > 0 ? '+' : ' ');
+
+    int cp = std::abs(100 * v / PawnValueEg);
+    if (cp >= 10000)
+    {
+        buffer[1] = '0' + cp / 10000; cp %= 10000;
+        buffer[2] = '0' + cp / 1000; cp %= 1000;
+        buffer[3] = '0' + cp / 100; cp %= 100;
+        buffer[4] = ' ';
+    }
+    else if (cp >= 1000)
+    {
+        buffer[1] = '0' + cp / 1000; cp %= 1000;
+        buffer[2] = '0' + cp / 100; cp %= 100;
+        buffer[3] = '.';
+        buffer[4] = '0' + cp / 10;
+    }
+    else
+    {
+        buffer[1] = '0' + cp / 100; cp %= 100;
+        buffer[2] = '.';
+        buffer[3] = '0' + cp / 10; cp %= 10;
+        buffer[4] = '0' + cp / 1;
+    }
   }
 
-  // Load the evaluation function file
-  bool load_eval_file(const std::string& evalFile) {
 
-    Initialize();
-    fileName = evalFile;
+  // format_cp_aligned_dot() converts a Value into (centi)pawns and writes it in a buffer,
+  // always keeping two decimals. The buffer must have capacity for at least 7 chars.
+  static void format_cp_aligned_dot(Value v, char* buffer) {
+
+    buffer[0] = (v < 0 ? '-' : v > 0 ? '+' : ' ');
+
+    double cp = 1.0 * std::abs(int(v)) / PawnValueEg;
+    sprintf(&buffer[1], "%6.2f", cp);
+  }
+
 
-    std::ifstream stream(evalFile, std::ios::binary);
+  // trace() returns a string with the value of each piece on a board,
+  // and a table for (PSQT, Layers) values bucket by bucket.
+
+  std::string trace(Position& pos) {
+
+    std::stringstream ss;
+
+    char board[3*8+1][8*8+2];
+    std::memset(board, ' ', sizeof(board));
+    for (int row = 0; row < 3*8+1; ++row)
+      board[row][8*8+1] = '\0';
+
+    // A lambda to output one box of the board
+    auto writeSquare = [&board](File file, Rank rank, Piece pc, Value value) {
+
+      const int x = ((int)file) * 8;
+      const int y = (7 - (int)rank) * 3;
+      for (int i = 1; i < 8; ++i)
+         board[y][x+i] = board[y+3][x+i] = '-';
+      for (int i = 1; i < 3; ++i)
+         board[y+i][x] = board[y+i][x+8] = '|';
+      board[y][x] = board[y][x+8] = board[y+3][x+8] = board[y+3][x] = '+';
+      if (pc != NO_PIECE)
+        board[y+1][x+4] = PieceToChar[pc];
+      if (value != VALUE_NONE)
+        format_cp_compact(value, &board[y+2][x+2]);
+    };
+
+    // We estimate the value of each piece by doing a differential evaluation from
+    // the current base eval, simulating the removal of the piece from its square.
+    Value base = evaluate(pos);
+    base = pos.side_to_move() == WHITE ? base : -base;
+
+    for (File f = FILE_A; f <= FILE_H; ++f)
+      for (Rank r = RANK_1; r <= RANK_8; ++r)
+      {
+        Square sq = make_square(f, r);
+        Piece pc = pos.piece_on(sq);
+        Value v = VALUE_NONE;
+
+        if (pc != NO_PIECE && type_of(pc) != KING)
+        {
+          auto st = pos.state();
+
+          pos.remove_piece(sq);
+          st->accumulator.computed[WHITE] = false;
+          st->accumulator.computed[BLACK] = false;
+
+          Value eval = evaluate(pos);
+          eval = pos.side_to_move() == WHITE ? eval : -eval;
+          v = base - eval;
+
+          pos.put_piece(pc, sq);
+          st->accumulator.computed[WHITE] = false;
+          st->accumulator.computed[BLACK] = false;
+        }
+
+        writeSquare(f, r, pc, v);
+      }
+
+    ss << " NNUE derived piece values:\n";
+    for (int row = 0; row < 3*8+1; ++row)
+        ss << board[row] << '\n';
+    ss << '\n';
+
+    auto t = trace_evaluate(pos);
+
+    ss << " NNUE network contributions "
+       << (pos.side_to_move() == WHITE ? "(White to move)" : "(Black to move)") << std::endl
+       << "+------------+------------+------------+------------+\n"
+       << "|   Bucket   |  Material  | Positional |   Total    |\n"
+       << "|            |   (PSQT)   |  (Layers)  |            |\n"
+       << "+------------+------------+------------+------------+\n";
+
+    for (std::size_t bucket = 0; bucket < LayerStacks; ++bucket)
+    {
+      char buffer[3][8];
+      std::memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
+
+      format_cp_aligned_dot(t.psqt[bucket], buffer[0]);
+      format_cp_aligned_dot(t.positional[bucket], buffer[1]);
+      format_cp_aligned_dot(t.psqt[bucket] + t.positional[bucket], buffer[2]);
+
+      ss <<  "|  " << bucket    << "        "
+         << " |  " << buffer[0] << "  "
+         << " |  " << buffer[1] << "  "
+         << " |  " << buffer[2] << "  "
+         << " |";
+      if (bucket == t.correctBucket)
+          ss << " <-- this bucket is used";
+      ss << '\n';
+    }
 
-    const bool result = ReadParameters(stream);
+    ss << "+------------+------------+------------+------------+\n";
 
-    return result;
+    return ss.str();
   }
 
-  // Evaluation function. Perform differential calculation.
-  Value evaluate(const Position& pos) {
-    return ComputeScore(pos, false);
+
+  // Load eval, from a file stream or a memory stream
+  bool load_eval(std::string name, std::istream& stream) {
+
+    initialize();
+    fileName = name;
+    return read_parameters(stream);
   }
 
-  // Evaluation function. Perform full calculation.
-  Value compute_eval(const Position& pos) {
-    return ComputeScore(pos, true);
+  // Save eval, to a file stream or a memory stream
+  bool save_eval(std::ostream& stream) {
+
+    if (fileName.empty())
+      return false;
+
+    return write_parameters(stream);
   }
 
-  // Proceed with the difference calculation if possible
-  void update_eval(const Position& pos) {
-    UpdateAccumulatorIfPossible(pos);
+  /// Save eval, to a file given by its name
+  bool save_eval(const std::optional<std::string>& filename) {
+
+    std::string actualFilename;
+    std::string msg;
+
+    if (filename.has_value())
+        actualFilename = filename.value();
+    else
+    {
+        if (currentEvalFileName != EvalFileDefaultName)
+        {
+             msg = "Failed to export a net. A non-embedded net can only be saved if the filename is specified";
+
+             sync_cout << msg << sync_endl;
+             return false;
+        }
+        actualFilename = EvalFileDefaultName;
+    }
+
+    std::ofstream stream(actualFilename, std::ios_base::binary);
+    bool saved = save_eval(stream);
+
+    msg = saved ? "Network saved successfully to " + actualFilename
+                : "Failed to export a net";
+
+    sync_cout << msg << sync_endl;
+    return saved;
   }
 
-} // namespace Eval::NNUE
+
+} // namespace Stockfish::Eval::NNUE