Attention的分块计算: 从flash-attention到ring-attention
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作者丨宫酱手艺人@知乎（已授权）
来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/686240618
编辑丨极市平台
导读
flash attention是LLM训练的标配。它是一个加速attention的cuda算子；ring attention则是利用分布式计算扩展attention长度的一个工作。然而它们背后的核心则都是softmax局部和全局关系的一个巧妙公式。
TL; DR
观察到局部softmax和全局softmax的关系，充分利用容量小但速度快的cache计算局部的attention，再推导出全局的attention，最终达到加速attention计算，或扩展attention长度的目的。
概要
局部的softmax和全局的softmax可以推出一个公式关系。利用这一点，flash-attention使用SRAM来计算局部的attention，再规约到全局的attention，并将attention包装为一个CUDA kernel，大大加速attention计算速度，并减小现存占用。而ring attention则反着利用这个公式关系，让一个GPU计算attention的一个局部，整个GPU多卡集群就可以计算出全局的attention，这样就大大扩展了Transformer序列长度。
方法
局部softmax和全局softmax之间的关系
Attention机制里面使用Softmax函数将Attention权重归一化。考虑向量 ，那么向量 作为Softmax的输出，有
注意到softmax函数有平移不变的性质
一般的softmax实现都是利用这个性质，给分子分母同时减去最大值，这样取指数的时候就不容易越界了:
flash-attention则利用这个性质，来大幅提高softmax算子的局部性。具体上，将 向量分成 个块，每个块 个元素，对每个分块先进行计算，这样SRAM里面需要处理的元素就不多了，处理完以后，再将每个分块里面计算的结果进行组合，计算出来最终的softmax结果。
这个事情的关键就是要把局部块的值和全局的值得关系找出来。为了符号的简单，考虑两个块之间的关系。 。令 和 为局部的最大值， 为全局最大值:
对于第一个块里面的输出值 ，有
第二个块也类似。那么我们就可以看出来，全局softmax值通过局部块的softmax值和这些 这些局部最大值因子可以算出来。所以呢，通过计算局部块的指数 ，累积和 ，以及最值 并保留下来，就可以算出全局的softmax了。
这样的好处是什么呢?
attention里面的softmax，一般值还挺多的，特别是对于长序列，所以整体计算全局softmax，可能cache里面就放不下，就得放到容量大但是比较慢的地方去计算这些数了。而局部的值，数量少，就可以放在cache里面算，算完以后再根据上面的公式，把总体的softmax算出来。
flash attention：利用SRAM作为cache
flash attention是一个attention的算子，主要目的是加速attention的计算。
GPU里面的存储有个层次结构。HBM (high bandwidth memory，可以认为就是cuda编程里面的global memory)就是显卡上边的memory，容量大，但是速度慢; SRAM (Static Random-Access Memory，可以认为就是cuda编程里面的shared memory)，容量小，但是速度快。
flash-attention的核心思想就是，把attention的计算分成一小块一小块的，放在SRAM里面算，算完以后再通过前面介绍的关系，把全局的attention值算出来。大大提升了attention的计算速度。
flash-attention还把整个attention的计算做成一个算子，这样就可以把中间的结果给它省掉，大大减小了显存占用。
ring attention：利用单GPU卡作为cache
ring attention的主要目的是扩展Transformer的序列长度。计算Transformer序列长度的一个核心困难是算attention的时候，序列太长会OOM。
ring attention的核心想法是，每一个GPU只计算一个局部的attention，然后全局的attention再利用前面的公式给计算出来。这样，因为每个GPU的算的attention长度就没那么长了，就可以计算了，但整体的attention长度就可以大大扩展了。这个attention长度的扩展还是根据GPU数量线性增加的，有多少GPU就能扩多长，所以ring attention的论文题目里说"Near-Infinite Context"。
小结与想法
flash attention已经是LLM训练的标配了。它是一个加速attention的cuda算子；ring attention则是利用分布式计算扩展attention长度的一个工作。然而它们背后的核心则都是softmax局部和全局关系的一个巧妙公式。真的是非常漂亮。
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