通过使用嵌套张量和 torch.compile() 替换 nn.Transformer 加速 PyTorch Transformer

作者： Mikayla Gawarecki

您将学到什么

• 了解 PyTorch 提供的用于构建自定义 Transformer 层的底层构建块（嵌套张量、scaled_dot_product_attention、torch.compile() 和 FlexAttention）

• 了解如何使用 MultiHeadAttention 作为示例，说明上述构建块如何改进内存使用和性能

• 探索使用上述构建块进行高级自定义

先决条件

• PyTorch v.2.6.0 或更高版本

在过去的几年中，PyTorch 团队开发了各种较低级别的功能，当组合起来时，可以创建各种 Transformer 变体。这些包括：

• 具有 torch.jagged 布局（又名 NJT）的嵌套张量

• scaled_dot_product_attention

• torch.compile()

• FlexAttention

本教程将简要概述上述技术，并演示如何组合它们以产生灵活且高性能的 Transformer 层，并改善用户体验。

人们可能会注意到 torch.nn 模块当前提供了各种与 Transformer 相关的层。特别是，它包括 TransformerEncoderLayer、TransformerEncoder、TransformerDecoderLayer、TransformerDecoder、Transformer 和 MultiheadAttention。这个层系列最初是根据 Attention is All You Need 论文实现的。本教程中讨论的组件提供了比现有 nn 层更好的用户体验、灵活性和性能。

本教程适合我吗？

如果您想知道 torch 库提供了哪些构建块来编写您自己的 Transformer 层以及最佳实践，那么您来对地方了。请继续阅读！

如果您正在寻找流行的 Transformer 架构的开箱即用实现，请注意，有许多开源库提供它们，包括：

• HuggingFace transformers

• xformers

• torchtune

如果您只对高性能注意力分数修改感兴趣，请查看包含 masks gym 的 FlexAttention 博客。

构建块介绍

首先，我们将简要介绍引言中提到的四种技术：

• torch.nested

嵌套张量推广了常规密集张量的形状，允许使用相同的张量 UX 表示参差不齐大小的数据。在 Transformer 的上下文中，我们可以将嵌套张量视为表示可变序列长度的工具。它们消除了对容易出错的显式填充和掩码做法的需求（想想 nn.MultiHeadAttention 中的 key_padding_mask）。

• scaled_dot_product_attention

scaled_dot_product_attention 是 \(\text{softmax}(\frac{QK^T}{\sqrt{E}} + B)V\) 的原语，它分派到运算符的融合实现或回退实现。它在 eager 模式（即使用 PyTorch 的默认模式，其中操作在遇到时立即执行）下开箱即用，并且还可以与 torch.compile() 无缝集成。从 2.6 版本开始，它还将原生提供分组查询注意力。

• torch.compile()

torch.compile() 是 2.0 版本中引入的编译器，它能够捕获 PyTorch 代码的图并对其执行各种优化，例如融合操作序列。具有 torch.jagged 布局的嵌套张量和 scaled_dot_product_attention 与 compile 无缝协作。在 Transformer 的上下文中，将 compile 与嵌套张量和 SDPA 结合使用的附加值在于，compile 可以消除在 eager 模式下看到的框架开销，并将 Transformer 中的操作序列（例如投影和激活）融合在一起。

• FlexAttention

FlexAttention 是一个原语，允许用户在 softmax 操作之前修改注意力分数。它推广了 scaled_dot_product_attention 上面的加性 B 项，从而允许任意计算。它需要 compile 才能获得良好的性能。

以上构建块是“您所需要的一切”（截至 2024 年 10 月）

本节的主要前提是，大多数 Transformer 变体都是 GPT 风格的，由诸如 Embedding、位置编码、注意力块和前馈网络之类的层组成。如果我们尝试对这个空间中的差异进行分类，我们可能会得到类似以下的结果：

1. 层类型（激活函数，例如 SwiGLU 和其他函数，归一化函数，例如 RMSNorm 和其他函数，位置编码，例如正弦波、旋转位置编码。）

2. 层排序，例如在何处应用归一化和位置编码。

3. 注意力分数的修改，例如 ALiBi、相对位置偏差等。

在预编译器环境中，您可能会编写一个自定义 Transformer，并注意到它可以正常工作，但速度很慢。为了解决这个问题，您可能会为特定的操作系列开发一个自定义融合内核。在编译器环境中，您可以简单地执行初始步骤，然后编译并从性能改进中受益。

MultiheadAttention

请记住，MultiheadAttention 接收查询、键和值，并由输入投影、scaled_dot_product_attention 运算符和输出投影组成。我们想在这里演示的主要结论是，当我们用嵌套张量替换填充/掩码输入时，所产生的改进。改进是三方面的：

• 用户体验 请记住，nn.MultiheadAttention 要求 query、key 和 value 是密集的 torch.Tensors。它还提供了一个 key_padding_mask，用于屏蔽 key 中由于批次内不同序列长度而产生的填充标记。由于 nn.MHA 中没有 query_padding_mask，因此用户必须注意适当地屏蔽/切片输出，以考虑查询序列长度。NestedTensor 干净利落地消除了对这种容易出错的填充掩码的需求。

• 内存 嵌套张量允许您清晰地表示不同序列长度的批次，而不是物化一个带有 [B, S] 填充掩码的密集 [B, S, D] 张量（其中 B 是批次大小，S 是批次中的最大序列长度，D 是嵌入大小）。因此，输入和中间激活将使用更少的内存。

• 性能 由于填充未物化，并且跳过了对填充的不必要计算，因此性能和内存使用量都得到了改善。

我们将通过构建 嵌套张量教程 中的 MultiheadAttention 层，并将其与 nn.MultiheadAttention 层进行比较，来演示以上内容。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class MultiHeadAttention(nn.Module):
    """
    Computes multi-head attention. Supports nested or padded tensors.

    Args:
        E_q (int): Size of embedding dim for query
        E_k (int): Size of embedding dim for key
        E_v (int): Size of embedding dim for value
        E_total (int): Total embedding dim of combined heads post input projection. Each head
            has dim E_total // nheads
        nheads (int): Number of heads
        dropout (float, optional): Dropout probability. Default: 0.0
        bias (bool, optional): Whether to add bias to input projection. Default: True
    """

    def __init__(
        self,
        E_q: int,
        E_k: int,
        E_v: int,
        E_total: int,
        nheads: int,
        dropout: float = 0.0,
        bias=True,
        device=None,
        dtype=None,
    ):
        factory_kwargs = {"device": device, "dtype": dtype}
        super().__init__()
        self.nheads = nheads
        self.dropout = dropout
        self._qkv_same_embed_dim = E_q == E_k and E_q == E_v
        if self._qkv_same_embed_dim:
            self.packed_proj = nn.Linear(E_q, E_total * 3, bias=bias, **factory_kwargs)
        else:
            self.q_proj = nn.Linear(E_q, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)
            self.k_proj = nn.Linear(E_k, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)
            self.v_proj = nn.Linear(E_v, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)
        E_out = E_q
        self.out_proj = nn.Linear(E_total, E_out, bias=bias, **factory_kwargs)
        assert E_total % nheads == 0, "Embedding dim is not divisible by nheads"
        self.E_head = E_total // nheads
        self.bias = bias

    def forward(
        self,
        query: torch.Tensor,
        key: torch.Tensor,
        value: torch.Tensor,
        attn_mask=None,
        is_causal=False,
    ) -> torch.Tensor:
        """
        Forward pass; runs the following process:
            1. Apply input projection
            2. Split heads and prepare for SDPA
            3. Run SDPA
            4. Apply output projection

        Args:
            query (torch.Tensor): query of shape (``N``, ``L_q``, ``E_qk``)
            key (torch.Tensor): key of shape (``N``, ``L_kv``, ``E_qk``)
            value (torch.Tensor): value of shape (``N``, ``L_kv``, ``E_v``)
            attn_mask (torch.Tensor, optional): attention mask of shape (``N``, ``L_q``, ``L_kv``) to pass to SDPA. Default: None
            is_causal (bool, optional): Whether to apply causal mask. Default: False

        Returns:
            attn_output (torch.Tensor): output of shape (N, L_t, E_q)
        """
        # Step 1. Apply input projection
        if self._qkv_same_embed_dim:
            if query is key and key is value:
                result = self.packed_proj(query)
                query, key, value = torch.chunk(result, 3, dim=-1)
            else:
                q_weight, k_weight, v_weight = torch.chunk(
                    self.packed_proj.weight, 3, dim=0
                )
                if self.bias:
                    q_bias, k_bias, v_bias = torch.chunk(
                        self.packed_proj.bias, 3, dim=0
                    )
                else:
                    q_bias, k_bias, v_bias = None, None, None
                query, key, value = (
                    F.linear(query, q_weight, q_bias),
                    F.linear(key, k_weight, k_bias),
                    F.linear(value, v_weight, v_bias),
                )

        else:
            query = self.q_proj(query)
            key = self.k_proj(key)
            value = self.v_proj(value)

        # Step 2. Split heads and prepare for SDPA
        # reshape query, key, value to separate by head
        # (N, L_t, E_total) -> (N, L_t, nheads, E_head) -> (N, nheads, L_t, E_head)
        query = query.unflatten(-1, [self.nheads, self.E_head]).transpose(1, 2)
        # (N, L_s, E_total) -> (N, L_s, nheads, E_head) -> (N, nheads, L_s, E_head)
        key = key.unflatten(-1, [self.nheads, self.E_head]).transpose(1, 2)
        # (N, L_s, E_total) -> (N, L_s, nheads, E_head) -> (N, nheads, L_s, E_head)
        value = value.unflatten(-1, [self.nheads, self.E_head]).transpose(1, 2)

        # Step 3. Run SDPA
        # (N, nheads, L_t, E_head)
        attn_output = F.scaled_dot_product_attention(
            query, key, value, dropout_p=self.dropout, is_causal=is_causal
        )
        # (N, nheads, L_t, E_head) -> (N, L_t, nheads, E_head) -> (N, L_t, E_total)
        attn_output = attn_output.transpose(1, 2).flatten(-2)

        # Step 4. Apply output projection
        # (N, L_t, E_total) -> (N, L_t, E_out)
        attn_output = self.out_proj(attn_output)

        return attn_output

实用工具

在本节中，我们包含一个实用工具，用于使用 Zipf 分布生成半真实数据以用于句子长度。这用于生成嵌套的查询、键和值张量。我们还包含一个基准测试实用工具。

import numpy as np


def zipf_sentence_lengths(alpha: float, batch_size: int) -> torch.Tensor:
    # generate fake corpus by unigram Zipf distribution
    # from wikitext-2 corpus, we get rank "." = 3, "!" = 386, "?" = 858
    sentence_lengths = np.empty(batch_size, dtype=int)
    for ibatch in range(batch_size):
        sentence_lengths[ibatch] = 1
        word = np.random.zipf(alpha)
        while word != 3 and word != 386 and word != 858:
            sentence_lengths[ibatch] += 1
            word = np.random.zipf(alpha)
    return torch.tensor(sentence_lengths)


# Generate a batch of semi-realistic data using Zipf distribution for sentence lengths
# in the form of nested tensors with the jagged layout.
def gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device, dtype=torch.float32, query_seq_len_1=False):
    # generate semi-realistic data using Zipf distribution for sentence lengths
    sentence_lengths = zipf_sentence_lengths(alpha=1.2, batch_size=N)

    # Note: the torch.jagged layout is a nested tensor layout that supports a single ragged
    # dimension and works with torch.compile. The batch items each have shape (B, S*, D)
    # where B = batch size, S* = ragged sequence length, and D = embedding dimension.
    if query_seq_len_1:
        query = torch.nested.nested_tensor(
            [torch.randn(1, E_q, dtype=dtype, device=device) for l in sentence_lengths],
            layout=torch.jagged,
        )
    else:
        query = torch.nested.nested_tensor(
            [
                torch.randn(l.item(), E_q, dtype=dtype, device=device)
                for l in sentence_lengths
            ],
            layout=torch.jagged,
        )

    key = torch.nested.nested_tensor(
        [
            torch.randn(s.item(), E_k, dtype=dtype, device=device)
            for s in sentence_lengths
        ],
        layout=torch.jagged,
    )

    value = torch.nested.nested_tensor(
        [
            torch.randn(s.item(), E_v, dtype=dtype, device=device)
            for s in sentence_lengths
        ],
        layout=torch.jagged,
    )

    return query, key, value, sentence_lengths


import math
import timeit


def benchmark(func, *args, **kwargs):
    torch.cuda.synchronize()
    torch.cuda.reset_peak_memory_stats()
    begin = timeit.default_timer()
    output = func(*args, **kwargs)
    torch.cuda.synchronize()
    end = timeit.default_timer()
    return output, (end - begin), torch.cuda.max_memory_allocated()

现在，我们将演示在 MultiheadAttention 层中使用嵌套张量 + compile 进行自注意力的性能改进。我们将此与传统的 nn.MultiheadAttention + compile 与填充和掩码进行比较。

N, E_q, E_k, E_v, E_total = 512, 512, 512, 512, 512
E_out = E_q
d_model = E_q
nheads = 8
dropout = 0.0
bias = True
device = "cuda"
torch.manual_seed(6)
query, key, value, sentence_lengths = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
S = sentence_lengths.max().item()
print(
    f"Total sequence length in nested query {sentence_lengths.sum().item()}, max sequence length {S}"
)
padded_query, padded_key, padded_value = (
    t.to_padded_tensor(0.0) for t in (query, key, value)
)

torch.manual_seed(6)
mha_layer = MultiHeadAttention(
    E_q, E_k, E_v, E_total, nheads, dropout=dropout, bias=bias, device="cuda"
)
torch.manual_seed(6)
vanilla_mha_layer = nn.MultiheadAttention(
    E_q, nheads, dropout=dropout, batch_first=True, bias=bias, device="cuda"
)

# ``nn.MultiheadAttention`` uses a non conventional initialization for layers, so do this for exact parity :(
mha_layer.out_proj.weight = nn.Parameter(
    vanilla_mha_layer.out_proj.weight.clone().detach()
)
mha_layer.packed_proj.weight = nn.Parameter(
    vanilla_mha_layer.in_proj_weight.clone().detach()
)
mha_layer.out_proj.bias = nn.Parameter(vanilla_mha_layer.out_proj.bias.clone().detach())
mha_layer.packed_proj.bias = nn.Parameter(
    vanilla_mha_layer.in_proj_bias.clone().detach()
)

new_mha_layer = torch.compile(mha_layer)
# warmup compile
nested_result_warmup = new_mha_layer(query, query, query, is_causal=True)

# benchmark
nested_result, nested_time, nested_peak_memory = benchmark(
    new_mha_layer, query, query, query, is_causal=True
)
padded_nested_result = nested_result.to_padded_tensor(0.0)

# For the vanilla ``nn.MultiheadAttention``, we need to construct the ``key_padding_mask``
# Further, ``nn.MultiheadAttention`` forces one to materialize the ``attn_mask`` even if using ``is_causal``
src_key_padding_mask = torch.where(padded_query == 0.0, -math.inf, 0)[:, :, 0]
attn_mask = torch.empty((N, S, S), device=device).fill_(float("-inf"))
for i, s in enumerate(sentence_lengths):
    attn_mask[i, :s, :s] = nn.Transformer.generate_square_subsequent_mask(s)
attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).expand(N, nheads, S, S).reshape(N * nheads, S, S)

vanilla_mha_layer = torch.compile(vanilla_mha_layer)
# warmup compile
warmup_vanilla_result = vanilla_mha_layer(
    padded_query,
    padded_query,
    padded_query,
    attn_mask=attn_mask,
    key_padding_mask=src_key_padding_mask,
    need_weights=False,
    is_causal=True,
)

# benchmark
(padded_result, _), padded_time, padded_peak_memory = benchmark(
    vanilla_mha_layer,
    padded_query,
    padded_query,
    padded_query,
    key_padding_mask=src_key_padding_mask,
    need_weights=False,
    attn_mask=attn_mask,
    is_causal=True,
)

print(f"{padded_time=:.5f}, padded_peak_memory={padded_peak_memory/1e9:.2f} GB")
print(f"{nested_time=:.5f}, nested_peak_memory={nested_peak_memory/1e9:.2f} GB")
print(
    "Max difference between vanilla and nested result",
    (padded_result - padded_nested_result).abs().max().item(),
)
print(f"Nested speedup: {(padded_time/nested_time):.2f}")
print(
    f"Nested peak memory reduction {((padded_peak_memory - nested_peak_memory)/1e9):.2f} GB"
)

Total sequence length in nested query 10436, max sequence length 128
padded_time=0.01611, padded_peak_memory=3.88 GB
nested_time=0.00234, nested_peak_memory=0.93 GB
Max difference between vanilla and nested result 0.0
Nested speedup: 6.87
Nested peak memory reduction 2.96 GB

作为参考，以下是 A100 上的一些示例输出：

padded_time=0.03454, padded_peak_memory=4.14 GB
nested_time=0.00612, nested_peak_memory=0.76 GB
Max difference between vanilla and nested result 0.0
Nested speedup: 5.65
Nested peak memory reduction 3.39 GB

我们还可以看到反向传播的相同结果：

for i, entry_length in enumerate(sentence_lengths):
    # padding-specific step: remove output projection bias from padded entries for fair comparison
    padded_result[i, entry_length:, :] = 0.0

_, padded_bw_time, padded_bw_peak_mem = benchmark(
    lambda: padded_result.sum().backward()
)
_, nested_bw_time, nested_bw_peak_mem = benchmark(
    lambda: padded_nested_result.sum().backward()
)

print(f"{padded_bw_time=:.5f}, padded_bw_peak_mem={padded_bw_peak_mem/1e9:.2f} GB")
print(f"{nested_bw_time=:.5f}, nested_bw_peak_mem={nested_bw_peak_mem/1e9:.2f} GB")
print(f"Nested backward speedup: {(padded_bw_time/nested_bw_time):.2f}")
print(
    f"Nested backward peak memory reduction {((padded_bw_peak_mem - nested_bw_peak_mem)/1e9):.2f} GB"
)

print(
    "Difference in out_proj.weight.grad",
    (mha_layer.out_proj.weight.grad - vanilla_mha_layer.out_proj.weight.grad)
    .abs()
    .max()
    .item(),
)
print(
    "Difference in packed_proj.weight.grad",
    (mha_layer.packed_proj.weight.grad - vanilla_mha_layer.in_proj_weight.grad)
    .abs()
    .max()
    .item(),
)
print(
    "Difference in out_proj.bias.grad",
    (mha_layer.out_proj.bias.grad - vanilla_mha_layer.out_proj.bias.grad)
    .abs()
    .max()
    .item(),
)
print(
    "Difference in packed_proj.bias.grad",
    (mha_layer.packed_proj.bias.grad - vanilla_mha_layer.in_proj_bias.grad)
    .abs()
    .max()
    .item(),
)

padded_bw_time=1.73546, padded_bw_peak_mem=4.69 GB
nested_bw_time=0.11116, nested_bw_peak_mem=3.14 GB
Nested backward speedup: 15.61
Nested backward peak memory reduction 1.55 GB
Difference in out_proj.weight.grad 0.000396728515625
Difference in packed_proj.weight.grad 0.00146484375
Difference in out_proj.bias.grad 0.0
Difference in packed_proj.bias.grad 0.0029296875

A100 上的示例输出：

padded_bw_time=2.09337, padded_bw_peak_mem=5.10 GB
nested_bw_time=0.01452, nested_bw_peak_mem=3.24 GB
Nested backward speedup: 144.13
Nested backward peak memory reduction 1.86 GB
Difference in out_proj.weight.grad 0.000244140625
Difference in packed_proj.weight.grad 0.001556396484375
Difference in out_proj.bias.grad 0.0
Difference in packed_proj.bias.grad 0.001953125

GPT 风格的层

基本的 GPT 风格 Transformer 层由因果自注意力层和带有跳跃连接的前馈网络 (FFN) 组成。使用上面的 MultiheadAttention 层实现这一点非常简单，并且给出的结果与 is_causal=True 的 nn.TransformerEncoderLayer 等效。

我们在此处演示了实现其余 nn 层的示例：here，但为了简洁起见，我们从本教程中省略了这些示例。

更进一步

到目前为止，我们已经演示了如何实现遵循传统 nn.MultiheadAttention 的高性能 MultiheadAttention 层。回到我们对 Transformer 架构修改的分类，请记住，我们将修改分为层类型、层排序和注意力分数的修改。我们相信，更改层类型和层排序（例如，将 LayerNorm 交换为 RMSNorm）非常简单。

在本节中，我们将讨论使用上述构建块的各种功能，包括以下内容：

• 交叉注意力

• 完全掩码的行不再导致 NaN

• 修改注意力分数：带有 FlexAttention 和 NJT 的 ALiBi

• 打包投影

交叉注意力

交叉注意力是一种注意力形式，其中查询和键/值张量来自不同的序列。

一个例子是在 nn.TransformerDecoderLayer 中，其中查询来自解码器，而键/值来自编码器。

上面的 MultiheadAttention 层很好地推广到这种情况，其中查询和键/值都使用嵌套张量。

query, _, _, q_len = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
_, key, value, kv_len = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)

print(
    f"Total sequence length in nested query {q_len.sum().item()}, max sequence length {q_len.max().item()}"
)
print(
    f"Total sequence length in nested key/value {kv_len.sum().item()}, max sequence length {kv_len.max().item()}"
)
out = new_mha_layer(query, key, value, is_causal=False)

Total sequence length in nested query 10617, max sequence length 165
Total sequence length in nested key/value 10176, max sequence length 137

与上面类似，我们可以将其与原始编译的 nn.MultiheadAttention 进行比较。

torch.manual_seed(6)
query, _, _, q_len = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
_, key, value, kv_len = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
padded_query, padded_key, padded_value = (
    t.to_padded_tensor(0.0) for t in (query, key, value)
)

key_padding_mask = torch.where(padded_key == 0.0, -math.inf, 0)[:, :, 0]

# warmup compile
warmup_nested_result = new_mha_layer(query, key, value, is_causal=False)
warmup_vanilla_result = vanilla_mha_layer(
    padded_query,
    padded_key,
    padded_value,
    key_padding_mask=key_padding_mask,
    need_weights=False,
    is_causal=False,
)

nested_result, nested_time, nested_peak_memory = benchmark(
    new_mha_layer, query, key, value, is_causal=False
)
(padded_result, _), padded_time, padded_peak_memory = benchmark(
    vanilla_mha_layer,
    padded_query,
    padded_key,
    padded_value,
    key_padding_mask=key_padding_mask,
    need_weights=False,
    is_causal=False,
)
padded_nested_result = nested_result.to_padded_tensor(0.0)
for i, entry_length in enumerate(q_len):
    # padding-specific step: remove output projection bias from padded entries for fair comparison
    padded_result[i, entry_length:, :] = 0.0

print(
    "Max difference between vanilla and nested result",
    (padded_result - padded_nested_result).abs().max().item(),
)
print(f"Nested speedup: {(padded_time/nested_time):.2f}")
print(
    f"Nested peak memory reduction {((padded_peak_memory - nested_peak_memory)/1e9):.2f} GB"
)

Max difference between vanilla and nested result 0.0
Nested speedup: 4.95
Nested peak memory reduction 1.20 GB

A100 上的示例输出：

Max difference between vanilla and nested result 0.0
Nested speedup: 4.01
Nested peak memory reduction 1.40 GB

完全掩码的行不再导致 NaN

nn.MultiheadAttention 和 scaled_dot_product_attention 长期存在一个问题，即如果某一行被完全掩码，则注意力层的输出将为 NaN。请参阅 问题。这是因为空集上的 softmax 是未定义的。

感谢 此 PR，这种情况不再发生。相反，scaled_dot_product_attention 中与完全掩码的行对应的输出将为 0。对于 nn.MHA 未采用“快速路径”的情况，这也将适用。

强烈建议使用带有 NJT 的自定义 MHA 层，而不是 nn.MultiheadAttention 中的现有“快速路径”，因为 NJT 适当建模参差不齐的能力使其可以正确表达空序列。

FlexAttention + NJT

NJT 也与 FlexAttention 模块组合。这是 MultiheadAttention 层的推广，允许任意修改注意力分数。下面的示例采用了 alibi_mod，它实现了来自 attention gym 的 ALiBi，并将其与嵌套输入张量一起使用。

from torch.nn.attention.flex_attention import flex_attention


def generate_alibi_bias(H: int):
    """Returns an alibi bias score_mod given the number of heads H
    Args:
        H: number of heads
    Returns:
        alibi_bias: alibi bias score_mod
    """

    def alibi_mod(score, b, h, q_idx, kv_idx):
        scale = torch.exp2(-((h + 1) * 8.0 / H))
        bias = (q_idx - kv_idx) * scale
        return score + bias

    return alibi_mod


query, key, value, _ = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
n_heads, D = 8, E_q // 8
alibi_score_mod = generate_alibi_bias(n_heads)
query = query.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
key = key.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
value = value.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
out_flex2 = flex_attention(query, key, value, score_mod=alibi_score_mod)

此外，还可以通过 create_nested_block_mask 函数将 FlexAttention 的 block_mask 实用工具与 NJT 一起使用。这对于利用掩码的稀疏性来加速注意力计算非常有用。特别是，该函数为 NJT 中所有可变长度序列的“堆叠序列”创建了一个稀疏块掩码，同时正确地屏蔽了序列间注意力。在以下示例中，我们展示了如何使用此实用工具创建因果块掩码。

from torch.nn.attention.flex_attention import create_nested_block_mask


def causal_mask(b, h, q_idx, kv_idx):
    return q_idx >= kv_idx


query, key, value, _ = gen_batch(N, E_q, E_k, E_v, device)
block_mask = create_nested_block_mask(causal_mask, 1, 1, query, _compile=True)
query = query.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
key = key.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
value = value.unflatten(-1, [n_heads, D]).transpose(1, 2).detach().requires_grad_()
out_flex = flex_attention(query, key, value, block_mask=block_mask)

打包投影

打包投影是一种技术，它利用了当投影（矩阵乘法）的输入相同时（自注意力），我们可以将投影权重和偏差打包到单个张量中的事实。当单个投影受内存限制而不是受计算限制时，它尤其有用。我们将在此处演示两个示例：

• MultiheadAttention 的输入投影

• Transformer 层的 Feed-Forward 网络中的 SwiGLU 激活

MultiheadAttention 的输入投影

在进行自注意力时，query、key 和 value 是相同的张量。这些张量中的每一个都使用 Linear(E_q, E_total) 层进行投影。相反，我们可以将其打包到一个层中，这就是我们在上面的 MultiheadAttention 层中所做的。

让我们比较一下打包投影与常用方法的性能：

class InputProjection(nn.Module):
    def __init__(self, E_q, E_total, bias=False, device=None, dtype=None):
        factory_kwargs = {"device": device, "dtype": dtype}
        super().__init__()
        self.q_proj = nn.Linear(E_q, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)
        self.k_proj = nn.Linear(E_q, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)
        self.v_proj = nn.Linear(E_q, E_total, bias=bias, **factory_kwargs)

    def forward(self, x):
        return self.q_proj(x), self.k_proj(x), self.v_proj(x)


class PackedInputProjection(nn.Module):
    def __init__(self, E_q, E_total, bias=False, device=None, dtype=None):
        factory_kwargs = {"device": device, "dtype": dtype}
        super().__init__()
        self.packed_proj = nn.Linear(E_q, E_total * 3, bias=bias, **factory_kwargs)

    def forward(self, query):
        return torch.chunk(self.packed_proj(query), 3, dim=-1)


B, D, dtype = 256, 8192, torch.bfloat16

torch.set_float32_matmul_precision("high")
in_proj = torch.compile(InputProjection(D, D, device="cuda", dtype=torch.bfloat16))
packed_in_proj = torch.compile(
    PackedInputProjection(D, D, device="cuda", dtype=torch.bfloat16)
)

q, _, _, sequence_lengths = gen_batch(B, D, D, D, device="cuda", dtype=torch.bfloat16)

# warmup
in_proj(q)
packed_in_proj(q)

# benchmark
(q_out, k_out, v_out), time, _ = benchmark(in_proj, q)
(q_out, k_out, v_out), time_packed, _ = benchmark(packed_in_proj, q)
# On my A100 prints 1.05x speedup
print(
    f"InputProjection: {time:5f} s, PackedInputProjection: {time_packed:5f} s, speedup: {time/time_packed:.2f}x"
)

InputProjection: 0.034049 s, PackedInputProjection: 0.032743 s, speedup: 1.04x

Transformer 层的 SwiGLU 前馈网络

Swish-Gated Linear Unit (SwiGLU) 是一种非线性激活函数，在 Transformer 层的前馈网络中越来越受欢迎（例如 Llama）。具有 SwiGLU 激活的前馈网络定义为：

class SwiGLUFFN(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        dim,
        hidden_dim,
        multiple_of,
        ffn_dim_multiplier=None,
        device=None,
        dtype=None,
    ):
        factory_kwargs = {"device": device, "dtype": dtype}
        super().__init__()
        hidden_dim = int(2 * hidden_dim / 3)
        # custom dim factor multiplier
        if ffn_dim_multiplier is not None:
            hidden_dim = int(ffn_dim_multiplier * hidden_dim)
        hidden_dim = multiple_of * ((hidden_dim + multiple_of - 1) // multiple_of)

        self.w1 = nn.Linear(dim, hidden_dim, bias=False, **factory_kwargs)
        self.w2 = nn.Linear(hidden_dim, dim, bias=False, **factory_kwargs)
        self.w3 = nn.Linear(dim, hidden_dim, bias=False, **factory_kwargs)

    def forward(self, x):
        return self.w2(F.silu(self.w1(x)) * self.w3(x))

使用打包投影的替代实现方法是：

class PackedSwiGLUFFN(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        dim,
        hidden_dim,
        multiple_of,
        ffn_dim_multiplier=None,
        device=None,
        dtype=None,
    ):
        factory_kwargs = {"device": device, "dtype": dtype}
        super().__init__()
        hidden_dim = int(2 * hidden_dim / 3)
        # custom dim factor multiplier
        if ffn_dim_multiplier is not None:
            hidden_dim = int(ffn_dim_multiplier * hidden_dim)
        hidden_dim = multiple_of * ((hidden_dim + multiple_of - 1) // multiple_of)

        self.w13 = nn.Linear(dim, 2 * hidden_dim, bias=False, **factory_kwargs)
        self.w2 = nn.Linear(hidden_dim, dim, bias=False, **factory_kwargs)

    def forward(self, x):
        x1, x3 = torch.chunk(self.w13(x), 2, dim=-1)
        return self.w2(F.silu(x1) * x3)

我们可以按如下方式比较两种实现的性能。根据您的硬件，您可能会看到不同的结果。在 A100 上，对于 D=128，我看到 1.12 倍的加速。

D = 128

swigluffn = torch.compile(SwiGLUFFN(D, D * 4, 256, device="cuda", dtype=torch.bfloat16))
packed_swigluffn = torch.compile(
    PackedSwiGLUFFN(D, D * 4, 256, device="cuda", dtype=torch.bfloat16)
)

q, _, _, sentence_lengths = gen_batch(D, D, D, D, device="cuda", dtype=torch.bfloat16)

# warmup
swigluffn(q)
packed_swigluffn(q)

# benchmark
_, time, _ = benchmark(swigluffn, q)
_, time_packed, _ = benchmark(packed_swigluffn, q)
# On my A100 prints 1.08x speedup
print(
    f"SwiGLUFFN: {time} s, PackedSwiGLUFFN: {time_packed} s, speedup: {time/time_packed:.2f}x"
)

SwiGLUFFN: 0.0010555100000146922 s, PackedSwiGLUFFN: 0.0009598690000984789 s, speedup: 1.10x

扩展示例

我们计划更新本教程，以演示更多如何使用各种高性能构建块的示例，例如 KV 缓存、分组查询注意力等。此外，还有一些很好的示例，说明如何使用各种高性能构建块来实现各种 Transformer 架构。一些示例包括：

• gpt-fast

• segment-anything-fast

• lucidrains 使用嵌套张量实现的 NaViT

• torchtune 的 VisionTransformer 实现

结论

在本教程中，我们介绍了 PyTorch 提供的用于编写 Transformer 层的底层构建块，并演示了如何组合它们的示例。我们希望本教程能够让读者了解 PyTorch 用户可以轻松实现灵活且高性能的 Transformer 层。