【大模型训练】Flash Attention详解

news2024/12/25 1:23:55

文章目录

前言
预备知识
FlashAttention1
- 传统Attention计算方式
- FlashAttention1的基本原理
- - 除去Softmax操作的分块计算
  - Softmax分块计算
  - Attention分块计算
FlashAttention2
参考资料

前言

FlashAttention系列工作，是一种加速注意力计算方法，目前已经应用在：GPT-3、Falcon2（阿联酋大模型）、Llama2、Megatron-LM、GPT-4等流行LLM上。并且FlashAttention2已经集成到了pytorch2.0中，可以很便捷的调用。

1. FlashAttention动机：Transformers are slow and memory-hungry on long sequences, since the time and memory complexity of self-attention are quadratic in sequence length.，可以看出由于Transformer中self-attention 的时间和内存复杂度是序列长度的二次方，所以序列过长时，算法速度会变慢，需要消耗很高的内存，导致低效的

2. FlashAttention主要贡献

FlashAttention利用底层硬件的内存层次知识，例如GPU的内存层次结构，来提高计算速度和减少内存访问开销
核心原理是通过将输入分块，并在每个块上执行注意力操作，从而减少对高带宽内存（HBM）的读写操作
FlashAttention减少了内存读写量，从而实现了2-4倍的计算加速

预备知识

1. GPU 内存层次结构

GPU 内存层次结构包含多种不同大小和速度的内存形式，内存容量越小，读写速度越快。以A100 GPU为例，主要有两种类型，如下图所示：

在这里插入图片描述

高带宽内存 (HBM)：也就是我们常说的GPU显存，A100具有 40-80GB HBM，带宽为 1.5-2.0TB/s
SRAM：位于GPU片上，每个 108 个流式多处理器（SM, Streaming Multiprocessor）都有 192KB 片上 SRAM，带宽估计约为 19TB/s
二者的位置分布如下图所示，其中HBM在VRAM部门，而SRAM在GPU内部：

在这里插入图片描述

可以看到，片上 SRAM 比 HBM 快一个数量级，但内存容量小很多数量级。随着计算相对于内存速度变得更快，内存 (HBM) 访问越来越成为操作瓶颈。因此，利用快速 SRAM 变得更加重要。

2. GPU执行过程

GPU 有大量线程（threads ）来执行操作（称为内核 Kernel）。每个Kernel将输入从 HBM 加载到寄存器和 SRAM，进行计算，然后将输出写入 HBM。

3. 性能特点

根据计算和内存访问的平衡，操作可以分为计算限制或内存限制。这通常通过算术强度来衡量，即内存访问的每个字节的算术运算数量。

计算限制：操作所花费的时间由算术运算的数量决定，而访问 HBM 的时间要少得多。典型的例子是大内部维度的矩阵乘法，以及大量通道的卷积
内存限制：操作所花费的时间由内存访问次数决定，而计算所花费的时间要少得多。示例包括大多数其他操作：逐元素（激活、dropout）和归约（求和、softmax、批量归一化、层归一化）

FlashAttention1

在这里插入图片描述

FlashAttention: Fast and Memory-Efficient Exact Attention with IO-Awareness
paper，code

传统Attention计算方式

传统的Attention计算过程如下：

在这里插入图片描述

首先 $Q, K, V$ 矩阵计算好，放在HBM中
接着，为了计算QK注意力得分，将 $Q, K$ 从HBM中取出来，写入SRAM，然后计算 $S=QK^T$ ，再把 $S$ 从SRAM写入HBM
然后，从HBM加载 $S$ 到SRAM，计算 $P=\rm{Softmax}(\it{S})$ ，然后再把 $P$ 从SRAM写入HBM
最后，从HBM加载 $P, V$ 到SRAM，计算最终的输出 $O = P V$ ，然后把 $O$ 写入HBM

可以看到，这个过程中存在多次HBM和SRAM之间的读写操作。同时由于Attention的计算方式，导致中间的临时变量 $S, P$ 的参数量和输入序列长度的平方成正比：

在这里插入图片描述

因此，在训练时，长序列输入在计算Attention时会产生更大参数量的临时变量，会占用更大显存空间，导致更多的访问消耗。也就是说，Attention操作主要是内存限制问题，通信时间是制约计算效率的主要因素。

FlashAttention1的基本原理

因此，FlashAttention主要的思想，就是减少通信时间，也就是减少IO操作，使得计算尽可能多的访问片上的SRAM，尽可能少的访问片外的HBM。

通过分块计算，融合多个操作，减少中间结果缓存
反向传播时，重新计算中间结果（类似于梯度检查点的原理）

在这里插入图片描述

除去Softmax操作的分块计算

在计算Attention主要有两个临时变量 $S, P$ ，FlashAttention的分块计算，使得不需要存储这两个临时变量，而是直接在SRAM计算得到部分最终结果 $O$ ，从而减少了内存访问开销。这里我们先忽略Softmax操作，因为在分块计算，他比较麻烦。

这里假设 $Q, K, V$ 矩阵的大小为 $(4, 3)$ ，那么FlashAttention的分块计算过程如下，由于矩阵乘法的性质，每次分块计算得到的结果，都是最终结果矩阵中的一部分值：
在这里插入图片描述

Softmax分块计算

下面，我们来解决Softmax这个麻烦的操作，首先来回顾Softmax的计算公式：

$\operatorname{softmax}\left(\left\{x_1, \ldots, x_N\right\}\right)=\left\{\frac{e^{x_i}}{\sum_{j=1}^N e^{x_j}}\right\}_{i=1}^N$

但是，如果数据类型为FP16，那么最大可以表示为65536，因此当 $x_i$ 为12时， $e^{12}=162754$ ，超过了FP16所能表示的最大值。因此，我们需要使用Safe_Softmax方法来避免这个问题：

$\begin{aligned} & m=\max \left(x_i\right) \\ & \operatorname{softmax}\left(\left\{x_1, \ldots, x_N\right\}\right)=\left\{\frac{e^{x_i} / e^m}{\sum_{j=1}^N e^{x_j} / e^m}\right\}_{i=1}^N=\left\{\frac{e^{x_i-m}}{\sum_{j=1}^N e^{x_j-m}}\right\}_{i=1}^N \end{aligned}$

也就是在计算Softmax之前，先对输入数据进行归一化处理。此时计算Softmax的流程为：

$\begin{aligned} & x=\left[x_1, \ldots, x_N\right] \\ & m(x):=\max (x) \\ & p(x):=\left[e^{x_1-m(x)}, \ldots, e^{x_N-m(x)}\right] \\ & l(x):=\sum_i p(x)_i \\ & \operatorname{softmax}(x):=\frac{p(x)}{l(x)} \end{aligned}$

接下来看分块处理时，假设这里分为两块处理，我们首先需要在每个块内找到最大值（使用临时变量来保存），做归一化处理：

$\begin{aligned} & x=\left[x_1, \ldots, x_N, \ldots x_{2 N}\right] \\ & x^1=\left[x_1, \ldots, x_N\right] \quad x^2=\left[x_{N+1}, \ldots x_{2 N}\right] \\ & m\left(x^1\right) \quad p\left(x^1\right) \quad l\left(x^1\right) \quad m\left(x^2\right) \quad p\left(x^2\right) \quad l\left(x^2\right) \end{aligned}$

然后再计算数据的全局最大值，并且更新 $p (x), l (x)$ ，最后计算得到输入数据的Softmax值：

由于全局最大值，一定是各个块内最大值中的一个
因此在更新 $p (x), l (x)$ ，只需要乘以每个块最大值相对于全局最大值的差值的指数，就可以了
$\begin{aligned} &\begin{aligned} & m(x):=\max \left(m\left(x^1\right), m\left(x^2\right)\right) \\ & p(x):=\left[e^{m\left(x^1\right)-m(x)} p\left(x^1\right), e^{m\left(x^2\right)-m(x)} p\left(x^2\right)\right] \\ & l(x):=e^{m\left(x^1\right)-m(x)} l\left(x^1\right)+e^{m\left(x^2\right)-m(x)} l\left(x^2\right) \end{aligned}\\ &\operatorname{softmax}(x):=\frac{p(x)}{l(x)} \end{aligned}$

Attention分块计算

最后，我们来看一下FlashAttention的完整计算流程：
在这里插入图片描述

FlashAttention2

在这里插入图片描述
相比于FlashAttention1的改进：

减少了非矩阵乘法计算，可以利用Tensor Core加速计算
调整了内外训练方式，改为 Q 为外层循环，KV 为内层循环，进一步减少HBM读写，增加了并行度
如果一个Block处于矩阵上三角部分（Mask机制），则不进行attention计算，进一步优化了计算效率

参考资料

[1] https://www.bilibili.com/video/BV1UT421k7rA/?share_source=copy_web&vd_source=79b1ab42a5b1cccc2807bc14de489fa7
[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/676655352

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