torch_npu.npu_fusion_attention

功能描述

实现“Transformer Attention Score”的融合计算，实现的计算公式如下：

$\text{[math]}$

接口原型

torch_npu.npu_fusion_attention(Tensor query, Tensor key, Tensor value, int head_num, str input_layout, Tensor? pse=None, Tensor? padding_mask=None, Tensor? atten_mask=None, float scale=1., float keep_prob=1., int pre_tockens=2147483647, int next_tockens=2147483647, int inner_precise=0, int[]? prefix=None, int[]? actual_seq_qlen=None, int[]? actual_seq_kvlen=None, int sparse_mode=0, bool gen_mask_parallel=True, bool sync=False) -> (Tensor, Tensor, Tensor, Tensor, int, int, int)

参数说明

query：Device侧的Tensor，数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
key：Device侧的Tensor，数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
value：Device侧的Tensor，数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
head_num：Host侧的int，代表head个数，数据类型支持INT64。综合约束请见约束说明。
input_layout：Host侧的string，代表输入query、key、value的数据排布格式，支持BSH、SBH、BSND、BNSD、TND(actual_seq_qlen/actual_seq_kvlen需传值)；后续章节如无特殊说明，S表示query或key、value的sequence length，Sq表示query的sequence length，Skv表示key、value的sequence length，SS表示Sq*Skv。
pse：Device侧的Tensor，可选参数，表示位置编码。数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16，数据格式支持ND。非varlen场景支持四维输入，包含BNSS格式、BN1Skv格式、1NSS格式。如果非varlen场景Sq大于1024或varlen场景、每个batch的Sq与Skv等长且是sparse_mode为0、2、3的下三角掩码场景，可使能alibi位置编码压缩，此时只需要输入原始PSE最后1024行进行内存优化，即alibi_compress = ori_pse[:, :, -1024:, :]，参数每个batch不相同时，输入BNHSkv(H=1024)，每个batch相同时，输入1NHSkv(H=1024)。
padding_mask：Device侧的Tensor，暂不支持该参数。
atten_mask：Device侧的Tensor，可选参数，取值为1代表该位不参与计算（不生效），为0代表该位参与计算，数据类型支持BOOL、UINT8，数据格式支持ND格式，输入shape类型支持BNSS格式、B1SS格式、11SS格式、SS格式。varlen场景只支持SS格式，SS分别是maxSq和maxSkv。综合约束请见约束说明。
scale：Host侧的double，可选参数，代表缩放系数，作为计算流中Muls的scalar值，数据类型支持DOUBLE，默认值为1。
keep_prob：Host侧的double，可选参数，代表Dropout中1的比例，数据类型支持DOUBLE，默认值为1，表示全部保留。
pre_tockens：Host侧的int，用于稀疏计算的参数，可选参数，数据类型支持INT64，默认值为2147483647。综合约束请见约束说明。
next_tockens：Host侧的int，用于稀疏计算的参数，可选参数，数据类型支持INT64，默认值为2147483647。next_tockens和pre_tockens取值与atten_mask的关系请参见sparse_mode参数，参数取值与atten_mask分布不一致会导致精度问题。综合约束请见约束说明。
inner_precise：Host侧的int，用于提升精度，数据类型支持INT64，默认值为0。
说明：当前0、1为保留配置值，2为使能无效行计算，其功能是避免在计算过程中存在整行mask进而导致精度有损失，但是该配置会导致性能下降。

如果算子可判断出存在无效行场景，会自动使能无效行计算，例如sparse_mode为3，Sq > Skv场景。
prefix：Host侧的int array，可选参数，代表prefix稀疏计算场景每个Batch的N值。数据类型支持INT64，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
actual_seq_qlen：Host侧的int array，可选参数，varlen场景时需要传入此参数。表示query每个S的累加和长度，数据类型支持INT64，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
比如真正的S长度列表为：2 2 2 2 2

则actual_seq_qlen传：2 4 6 8 10
actual_seq_kvlen：Host侧的int array，可选参数，varlen场景时需要传入此参数。表示key/value每个S的累加和长度。数据类型支持INT64，数据格式支持ND。综合约束请见约束说明。
比如真正的S长度列表为：2 2 2 2 2

则actual_seq_kvlen传：2 4 6 8 10

sparse_mode：Host侧的int，表示sparse的模式，可选参数。数据类型支持：INT64，默认值为0，支持配置值为0、1、2、3、4、5、6、7、8。当整网的atten_mask都相同且shape小于2048*2048时，建议使用defaultMask模式，来减少内存使用量。综合约束请见约束说明。

表1 sparse_mode不同取值场景说明
sparse_mode	含义	备注
0	defaultMask模式。	-
1	allMask模式。	-
2	leftUpCausal模式。	-
3	rightDownCausal模式。	-
4	band模式。	-
5	prefix非压缩模式。	varlen场景不支持。
6	prefix压缩模式。	-
7	varlen外切场景，rightDownCausal模式。	仅varlen场景支持。
8	varlen外切场景，leftUpCausal模式。	仅varlen场景支持。

atten_mask的工作原理为，在Mask为True的位置遮蔽query(Q)与key(K)的转置矩阵乘积的值，示意如下：

QK^T矩阵在atten_mask为True的位置会被遮蔽，效果如下：

说明：下图中的蓝色表示保留该值，atten_mask中，应该配置为False；阴影表示遮蔽该值，atten_mask中应配置为True。

sparse_mode为0时，代表defaultMask模式。
- 不传mask：如果atten_mask未传入则不做mask操作，atten_mask取值为None，忽略pre_tockens和next_tockens取值。Masked QK^T矩阵示意如下：
- next_tockens取值为0，pre_tockens大于等于Sq，表示causal场景sparse，atten_mask应传入下三角矩阵，此时pre_tockens和next_tockens之间的部分需要计算，Masked QK^T矩阵示意如下：
  
  atten_mask应传入下三角矩阵，示意如下：
- pre_tockens小于Sq，next_tockens小于Skv，且都大于等于0，表示band场景，此时pre_tockens和next_tockens之间的部分需要计算。Masked QK^T矩阵示意如下：
  
  atten_mask应传入band形状矩阵，示意如下：
- next_tockens为负数，以pre_tockens=9，next_tockens=-3为例，pre_tockens和next_tockens之间的部分需要计算。Masked QK^T示意如下：
  说明：next_tockens为负数时，pre_tockens取值必须大于等于next_tockens的绝对值，且next_tockens的绝对值小于Skv。
- pre_tockens为负数，以next_tockens=7，pre_tockens=-3为例，pre_tockens和next_tockens之间的部分需要计算。Masked QK^T示意如下：
  说明：pre_tockens为负数时，next_tockens取值必须大于等于pre_tockens的绝对值，且pre_tockens的绝对值小于Sq。
sparse_mode为1时，代表allMask，即传入完整的atten_mask矩阵。
该场景下忽略next_tockens、pre_tockens取值，Masked QK^T矩阵示意如下：
sparse_mode为2时，代表leftUpCausal模式的mask，对应以左上顶点划分的下三角场景（参数起点为左上角）。该场景下忽略pre_tockens、next_tockens取值，Masked QK^T矩阵示意如下：

传入的atten_mask为优化后的压缩下三角矩阵（2048*2048），压缩下三角矩阵示意（下同）：
sparse_mode为3时，代表rightDownCausal模式的mask，对应以右下顶点划分的下三角场景（参数起点为右下角）。该场景下忽略pre_tockens、next_tockens取值。atten_mask为优化后的压缩下三角矩阵（2048*2048），Masked QK^T矩阵示意如下：
sparse_mode为4时，代表band场景，即计算pre_tockens和next_tockens之间的部分，参数起点为右下角，pre_tockens和next_tockens之间需要有交集。atten_mask为优化后的压缩下三角矩阵（2048*2048）。Masked QK^T矩阵示意如下：
sparse_mode为5时，代表prefix非压缩场景，即在rightDownCasual的基础上，左侧加上一个长为Sq，宽为N的矩阵，N的值由可选输入prefix获取，例如下图中表示batch=2场景下prefix传入数组[4,5]，每个batch轴的N值可以不一样，参数起点为左上角。
该场景下忽略pre_tockens、next_tockens取值，atten_mask矩阵数据格式须为BNSS或B1SS，Masked QK^T矩阵示意如下：

atten_mask应传入矩阵示意如下：
sparse_mode为6时，代表prefix压缩场景，即prefix场景时，attenMask为优化后的压缩下三角+矩形的矩阵（3072*2048）：其中上半部分[2048，2048]的下三角矩阵，下半部分为[1024,2048]的矩形矩阵，矩形矩阵左半部分全0，右半部分全1，atten_mask应传入矩阵示意如下。该场景下忽略pre_tockens、next_tockens取值。
sparse_mode为7时，表示varlen且为长序列外切场景（即长序列在模型脚本中进行多卡切query的sequence length）；用户需要确保外切前为使用sparse_mode 3的场景；当前mode下用户需要设置pre_tockens和next_tockens（起点为右下顶点），且需要保证参数正确，否则会存在精度问题。
Masked QK^T矩阵示意如下，在第二个batch对query进行切分，key和value不切分，4x6的mask矩阵被切分成2x6和2x6的mask，分别在卡1和卡2上计算：
- 卡1的最后一块mask为band类型的mask，配置pre_tockens=6（保证大于等于最后一个Skv），next_tockens=-2，actual_seq_qlen应传入{3,5}，actual_seq_kvlen应传入{3,9}。
- 卡2的mask类型切分后不变，sparse_mode为3，actual_seq_qlen应传入{2,7,11}，actual_seq_kvlen应传入{6,11,15}。
- 如果配置sparse_mode=7，但实际只存在一个batch，用户需按照band模式的要求来配置参数；sparse_mode=7时，用户需要输入2048x2048的下三角mask作为该融合算子的输入。
- 基于sparse_mode=3进行外切产生的band模式的sparse的参数应符合以下条件：
  - pre_tockens >= last_Skv。
  - next_tockens <= 0。
  - 当前模式下不支持可选输入pse。
sparse_mode为8时，表示varlen且为长序列外切场景；用户需要确保外切前为使用sparse_mode 2的场景；当前mode下用户需要设置pre_tockens和next_tockens（起点为右下顶点），且需要保证参数正确，否则会存在精度问题。
Masked QK^T矩阵示意如下，在第二个batch对query进行切分，key和value不切分，5x4的mask矩阵被切分成2x4和3x4的mask，分别在卡1和卡2上计算：
- 卡1的mask类型切分后不变，sparse_mode为2，actual_seq_qlen应传入{3,5}，actual_seq_kvlen应传入{3,7}。
- 卡2的第一块mask为band类型的mask，配置pre_tockens=4（保证大于等于第一个Skv），next_tockens=1，actual_seq_qlen应传入{3,8,12}，actual_seq_kvlen应传入{4,9,13}。
- 如果配置sparse_mode=8，但实际只存在一个batch，用户需按照band模式的要求来配置参数；sparse_mode=8时，用户需要输入2048x2048的下三角mask作为该融合算子的输入。
- 基于sparse_mode=2进行外切产生的band模式的sparse的参数应符合以下条件：
  - pre_tockens >= first_Skv。
  - next_tockens范围无约束，根据实际情况进行配置。
  - 当前模式下不支持可选输入pse。

gen_mask_parallel：debug参数，DSA生成dropout随机数向量mask的控制开关，默认值为True：同AICORE计算并行，False：同AICORE计算串行。
sync：debug参数，DSA生成dropout随机数向量mask的控制开关，默认值为False：dropout mask异步生成，True：dropout mask同步生成。

输出说明

共7个输出

(Tensor, Tensor, Tensor, Tensor, int, int, int)

第1个输出为Tensor，计算公式的最终输出y，数据类型支持：FLOAT16、BFLOAT16。
第2个输出为Tensor，Softmax 计算的Max中间结果，用于反向计算，数据类型支持：FLOAT。
第3个输出为Tensor，Softmax计算的Sum中间结果，用于反向计算，数据类型支持：FLOAT。
第4个输出为Tensor，保留参数，暂未使用。
第5个输出为int，DSA生成dropoutmask中，Philox算法的seed。
第6个输出为int，DSA生成dropoutmask中，Philox算法的offset。
第7个输出为int，DSA生成dropoutmask的长度。

约束说明

输入query、key、value的B：batchsize必须相等，取值范围1~2K。
输入query、key、value、pse的数据类型必须一致。
输入query、key、value的input_layout必须一致。
支持输入query的N和key/value的N不相等，但必须成比例关系，即Nq/Nkv必须是非0整数，Nq取值范围1~256。当Nq/Nkv > 1时，即为GQA(grouped-query attention)；当Nkv=1时，即为MQA(multi-query attention)。本文如无特殊说明，N表示的是Nq。
输入key/value的shape必须一致。
输入query、key、value的S：sequence length，取值范围1~512K。
输入query、key、value的D：head dim，取值范围1~512。
varlen场景T（B*S）取值范围1~512K。
keep_prob的取值范围为(0, 1] 。
sparse_mode为1、2、3、4、5、6、7、8时，应传入对应正确的atten_mask，否则将导致计算结果错误。当atten_mask输入为None时，sparse_mode，pre_tockens，next_tockens参数不生效，固定为全计算。
sparse_mode配置为1、2、3、5、6时，用户配置的pre_tockens、next_tockens不会生效。
sparse_mode配置为0、4时，须保证atten_mask与pre_tockens、next_tockens的范围一致。
prefix稀疏计算场景B不大于32，varlen场景不支持非压缩prefix，即不支持sparse_mode=5；当Sq>Skv时，prefix的N值取值范围[0, Skv]，当Sq<=Skv时，prefix的N值取值范围[Skv-Sq, Skv]。
sparse_mode=7或者8时，不支持可选输入pse。
varlen场景：
- atten_mask输入不支持补pad，即atten_mask中不能存在某一行全1的场景。
- pse仅支持alibi场景，即shape为BNHSkv(H=1024)、1NHSkv(H=1024)两种场景。
支持actual_seq_qlen中某个Batch上的S长度为0；如果存在S为0的情况，不支持pse输入，假设真实的S长度为[2,2,0,2,2]，则传入的actual_seq_qlen为[2,4,4,6,8]；不支持某个batch中Sq不为0，但是Skv为0的场景。

支持的PyTorch版本

PyTorch 2.2
PyTorch 2.1
PyTorch 1.11.0

支持的型号

Atlas A2 训练系列产品

调用示例

import math
import unittest
import numpy as np
import torch
import torch_npu
from torch_npu.testing.testcase import TestCase, run_tests
from torch_npu.testing.common_utils import SupportedDevices


class TestNPUFlashAttention(TestCase):
    def supported_op_exec(self, query, key, value, atten_mask):
        scale = 0.08838
        qk = torch.matmul(query, key.transpose(2, 3)).mul(scale)
        qk = qk + atten_mask * (-10000.0)
        softmax_res = torch.nn.functional.softmax(qk, dim=-1)
        attention_out = torch.matmul(softmax_res, value)
        return attention_out

    def custom_op_exec(self, query, key, value, sparse_params):
        scale = 0.08838
        atten_mask = None
        if sparse_params[0] == 0:
            shape = [1, 8, 256, 256]
            atten_mask_u = np.triu(np.ones(shape), k=sparse_params[1] + 1)
            atten_mask_l = np.tril(np.ones(shape), k=-sparse_params[2] - 1)
            atten_masks = atten_mask_u + atten_mask_l
            atten_mask = torch.tensor(atten_masks).to(torch.float16).bool().npu()
        if sparse_params[0] == 2 or sparse_params[0] == 3 or sparse_params[0] == 4:
            atten_masks = torch.from_numpy(np.triu(np.ones([2048, 2048]), k=1))
            atten_mask = torch.tensor(atten_masks).to(torch.float16).bool().npu()
        return torch_npu.npu_fusion_attention(
            query, key, value, head_num=8, input_layout="BNSD", scale=scale, sparse_mode=sparse_params[0],
            atten_mask=atten_mask, pre_tockens=sparse_params[1], next_tockens=sparse_params[2])

    def get_atten_mask(self, sparse_mode=0, pre_tokens=65536, next_tokens=65536):
        atten_masks = []
        shape = [1, 8, 256, 256]
        if sparse_mode == 0:
            atten_mask_u = np.triu(np.ones(shape), k=next_tokens + 1)
            atten_mask_l = np.tril(np.ones(shape), k=-pre_tokens - 1)
            atten_masks = atten_mask_u + atten_mask_l

        elif sparse_mode == 1:
            atten_masks = np.zeros(shape)
            pre_tokens = 65536
            next_tokens = 65536

        elif sparse_mode == 2:
            atten_masks = np.triu(np.ones(shape), k=1)

        elif sparse_mode == 3:
            atten_masks = np.triu(np.ones(shape), k=1)

        elif sparse_mode == 4:
            atten_mask_u = np.triu(np.ones(shape), k=next_tokens + 1)
            atten_mask_l = np.tril(np.ones(shape), k=-pre_tokens - 1)
            atten_masks = atten_mask_u + atten_mask_l

        atten_mask = torch.tensor(atten_masks).to(torch.float16)
        return atten_mask

    # sparse_params = [sparse_mode, pre_tokens, next_tokens]
    def check_result(self, query, key, value, sparse_params):
        atten_mask = self.get_atten_mask(sparse_params[0], sparse_params[1], sparse_params[2])
        output = self.supported_op_exec(query.float(), key.float(), value.float(), atten_mask)
        fa_result = self.custom_op_exec(query.npu(), key.npu(), value.npu(), sparse_params)
        self.assertRtolEqual(output.half(), fa_result[0], prec=0.01, prec16=0.01)

    def test_npu_flash_attention(self, device="npu"):
        query = torch.randn(1, 8, 256, 256, dtype=torch.float16)
        key = torch.randn(1, 8, 256, 256, dtype=torch.float16)
        value = torch.randn(1, 8, 256, 256, dtype=torch.float16)

        # sparse_params: [sparse_mode, pre_tokens, next_tokens]
        sparse_params_list = [
            [0, 128, 128],
            [1, 65536, 65536],
            [2, 65536, 0],
            [3, 65536, 0],
            [4, 128, 128]
        ]

        for sparse_params in sparse_params_list:
            self.check_result(query, key, value, sparse_params)

if __name__ == "__main__":
    run_tests()

父主题： torch_npu