H100利用率飆升至75%！英偉達親自下場FlashAttention三代升級

明敏 2024-07-12 12:11:46 來源：量子位

明敏 克雷西 發(fā)自 凹非寺

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大模型訓練推理神作，又更新了！

主流大模型都在用的FlashAttention，剛剛升級第三代。

時隔一年，F(xiàn)lashAttention-3已經(jīng)全方位升級。

訓練速度提升1.5-2倍，F(xiàn)P16下計算吞吐量高達740TFLOPs/s，達理論最大吞吐量75%，更充分利用計算資源，此前只能做到35%。

FP8下速度接近1.2PFLOPs/s！

同時誤差也進一步減小，F(xiàn)P8下的誤差比標準Attention減少2.6倍。

而且這一次，不再是一作Tri Dao單打獨斗，F(xiàn)lashAttention-3直接和英偉達、Meta、谷歌等合作，針對最強芯片H100專門做優(yōu)化。

英偉達CUTLASS團隊和cuDNN團隊，都直接為該研究提供支持。

同時和前作一樣，F(xiàn)lashAttention-3也將開源，PyTorch和Hugging Face中都集成。

作者之一Vijay Thakkar激動表示：

曾經(jīng)在FA2發(fā)布時，我就說過這句話。今天，我想再說一次：

看到CUTLASS和CuTe被用來開讓Tensor Core大顯身手的新算法，真的泰褲辣。

前Stable Diffusion老板Emad也非常關注這一進展，他推測使用FlashAttention-3，能將4090的FP8計算吞吐量推升到700+TFLOPs。

充分利用Hopper架構特點

自初代發(fā)布以來，F(xiàn)lashAttention已經(jīng)使大模型速度提高了4-8倍，但還有一個遺憾：尚未充分利用現(xiàn)代 GPU。

針對英偉達H100倍后的Hopper架構新特性，三代進行了專門優(yōu)化。

整個系列的核心思路，是IO感知優(yōu)化和分塊處理。

作者認為，傳統(tǒng)的注意力機制效率低的原因，在處理長序列時，會出現(xiàn)內存訪問操作頻繁，以及算法復雜度指數(shù)級暴增這兩大問題。

FlashAttention通過IO感知優(yōu)化將數(shù)據(jù)從較大但緩慢的高帶寬內存（HBM）加載到較小但更快的片上內存（SRAM），在SRAM中執(zhí)行計算，減少了內存讀寫操作的次數(shù)。

分塊處理則是將輸入序列分成若干小塊，每次只處理一個小塊的數(shù)據(jù)。這種方法使得每次處理的數(shù)據(jù)量減少，從而降低了內存使用和計算復雜度。

這樣一來，兩個關鍵問題就得到了解決，這兩大核心思想也在本次的FlashAttention-3中得到了繼承。

△第一代FlashAttention原理圖

但是，第一代的FlashAttention也遺留下了并行性不夠強、工作分區(qū)劃分不合理，以及非矩陣乘法較多（GPU計算單元處理矩陣乘法比非矩陣速度更快）的問題。

針對這一問題，第二代FlashAttention通過重寫softmax，減少了重新縮放操作、邊界檢查和因果屏蔽操作的次數(shù)，使得大部分計算集中在矩陣乘法上。

另外，F(xiàn)lashAttention-2引入了序列長度維度上的并行化，并針對工作在線程塊之間的分配進行了優(yōu)化，GPU利用效率更高了。

可以說前兩代當中，作者一直堅持著充分利用硬件特點這一思路，但站在今天的視角來看，對硬件的挖掘仍然不夠充分。

到了這次的FlashAttention-3，由于是直接和英偉達官方合作，對英偉達Hopper架構特點的理解更加透徹，軟硬件之間的協(xié)同進一步增強了。

FlashAttention-3的技術報告顯示，為了充分匹配Hopper架構，團隊主要做了三方面的技術升級。

首先，Hopper架構的一個重要特點是Tensor Core的異步性，F(xiàn)lashAttention-3針對性地提出了一種異步方式。

具體來說，F(xiàn)lashAttention-3引入了一種“生產者（Producer）-消費者（Consumer）”的編程模型，將注意力的計算劃分為兩個角色。

• “生產者”負責將數(shù)據(jù)從HBM異步加載到片上共享內存（SMEM）。這個過程主要利用了Hopper GPU的張量內存加速器（TMA），可以在不阻塞CUDA核心的情況下進行數(shù)據(jù)傳輸。
• 消費者直接從共享內存讀取數(shù)據(jù)，并使用Tensor Core執(zhí)行矩陣乘法等計算密集型任務。由于共享內存的訪問延遲遠低于全局內存，消費者可以快速獲取所需數(shù)據(jù)，提升計算效率。

△Hopper中的張量內存加速器

為了實現(xiàn)角色的劃分，作者引入了warp專門化技術，用不同的warp分別匹配生產者和消費者，讓兩者可以并行執(zhí)行。

這其中利用了Hopper架構的動態(tài)warp寄存器分配特性，通過setmaxnreg指令優(yōu)化了寄存器資源的利用。

為了進一步提高GPU的利用率，作者又提出了一種“乒乓調度”策略，讓一個warp組執(zhí)行矩陣乘法時，另一個warp組執(zhí)行softmax，從而實現(xiàn)計算的重疊。

具體講，F(xiàn)lashAttention-3使用CUDA的同步原語控制不同warp組之間的執(zhí)行順序，讓不同warp組分別執(zhí)行兩種運算，然后像乒乓球一樣交替運行。

第二大技術特點，是warp組內部GEMMs和softmax的重疊，核心奧義是重新安排計算的執(zhí)行順序以提高GPU利用率。

與乒乓調度不同，這里的計算重排處理的是warp組內部的重疊，而乒乓調度更關注組間協(xié)調。

實現(xiàn)方式上，F(xiàn)lashAttention-3提出了一種兩階段GEMM-softmax流水線方案，以打破不同操作之間的數(shù)據(jù)依賴。

• 第一階段，當前迭代（iteration）的softmax操作與下一個迭代的Q·K^T矩陣乘法重疊執(zhí)行。
• 第二階段，當前迭代的P·V矩陣乘法與下一個迭代的softmax操作重疊執(zhí)行。

通過引入額外的寄存器和共享內存緩沖區(qū)，F(xiàn)lashAttention-3實現(xiàn)了跨迭代的數(shù)據(jù)傳遞和重用。

在每個迭代中，Q·K^T的結果首先存儲在名為S_cur的緩沖區(qū)中，用于當前迭代的softmax計算，同時異步執(zhí)行下一個迭代的Q·K^T矩陣乘法，結果存儲在名為S_next的緩沖區(qū)中。

在執(zhí)行當前迭代的P·V矩陣乘法時,異步執(zhí)行下一個迭代的softmax操作，并更新S_cur和S_next緩沖區(qū)。

第三項更新，是用更低的FP8精度替代FP16。

實際上，降低數(shù)值精度是一種常見的優(yōu)化策略，可以顯著提高GPU的計算吞吐量和能效，Hopper GPU也引入了FP8精度的Tensor Core支持。

但是，直接將注意力計算從FP16轉換為FP8可能會引入較大的精度損失。

另外，F(xiàn)P8 Tensor Core對輸入數(shù)據(jù)的布局也有特定的要求（K維度連續(xù)），不幸的是，注意力計算中的輸入數(shù)據(jù)存儲格式（頭維度連續(xù)）并不符合這樣的要求。

所以FlashAttention-3首先引入了一系列內存布局轉換技術，動態(tài)轉置V矩陣的塊，改變其連續(xù)方式，從而適配FP8 Tensor Core的布局要求。

在此基礎之上，為了獲得更高的計算精度，F(xiàn)lashAttention-3又采用了分塊量化和非相干處理技術。

傳統(tǒng)的量化方法通常對整個矩陣使用一個統(tǒng)一的縮放因子（per-tensor quantization），無法很好地適應不同區(qū)域的數(shù)值范圍。

FlashAttention-3則采用了分塊量化（block-wise quantization）的策略，為每個塊單獨設置縮放因子，更好地捕捉局部的數(shù)值分布。

非相干處理（incoherent processing）技術則是通過隨機正交矩陣對輸入數(shù)據(jù)進行旋轉，破壞不同塊之間的相干性，減少量化誤差的傳播。

這兩項技術的結合使得FlashAttention-3在FP8精度下取得了更高的計算精度，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的量化方法。

結果，與基于傳統(tǒng)量化方法的FP8實現(xiàn)相比，F(xiàn)lashAttention-3的使得精度提高了2.6倍。

比標準Attention快16倍

以上就是FlashAttention-3在充分研究Hopper架構特點后做出的三大更新，針對更新后的表現(xiàn)，作者主要進行了3方面測試。

• 注意力基準測試
• 消融實驗
• FP8注意力準確性測試

首先來看注意力基準測試。

通過改變序列長度（512、1k、……16k），并設置批大小以確保總token數(shù)為16k。研究人員將隱藏維度設置為2048，頭維度設置為64、128或258，計算前向傳播、后向傳播。

對比標準Attention、FlashAttention-2、Triton、cuDNN和FlashAttention-3，在H100 80GB SXM5上FP16的運行時間。

FlashAttention-3的前向傳播比FlashAttention-2快1.5-2倍，后向傳播快1.5-1.75倍。

與標準Attention相比，F(xiàn)lashAttention-3的速度快了3-16倍。

對于中長序列（1k以上），F(xiàn)lashAttention-3甚至超過了專門為H100優(yōu)化的cuDNN。

在消融實驗中，通過對非因果FP16 FlashAttention-3進行了2階段WGMMA-softmax流水線和warp特殊化的消融研究，參數(shù)固定為{batch, seqlen, nheads, hdim} = {4, 8448, 16, 128}。

結果證實，F(xiàn)lashAttention-3改進帶來了顯著加速，從570提升到661。

另外，因為對FlashAttention的數(shù)值誤差感興趣，研究團隊還將FlashAttention-2、FlashAttention-3和標準Attention進行了比較。

為了模擬LLMs中的異常特征和激活，研究團隊生成了Q、K、V的條目，分布為：N(0,1)+N(0,100)?Bernoulli(0.001)

也就是說，每個條目都服從均值為0、標準差為1的正態(tài)分布，但對于0.1%的條目，增加了一個獨立的項，其標準差為10。然后測量均方根誤差（RMSE）。

結果顯示，在FP16中，由于中間結果（softmax）保留在FP32中，F(xiàn)lashAttention-2和FlashAttention-3的RMSE比標準Attention減少1.7倍。

FP8的標準Attention使用每個張量的縮放，matmul累加器在FP32中，中間softmax結果保留在FP16中。由于塊量化和非相干處理，F(xiàn)P8中的FlashAttention-3比這個基線更準確2.6倍。

最后，論文還表示目前工作專注于Hopper架構，后續(xù)將推廣到其他硬件。

除了英偉達為研究提供了技術支持外，Meta、Together AI和普林斯頓大學為研究提供了計算支持。