新PyTorch API：几行代码实现不同注意力变体，兼具FlashAttention性能和PyTorch灵活性

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用 FlexAttention 尝试一种新的注意力模式。

理论上，注意力机制就是你所需要的一切。然而在实际操作中，我们还需要优化像 FlashAttention 这样的注意力机制的实现。

尽管这些融合的注意力机制大大提高了性能，且支持长上下文，但这种效率的提升也伴随着灵活性的丧失。对于机器学习研究人员来说，这就像是一种「软件彩票」—— 如果你的注意力变体不适合现有的优化内核，你将面临运行缓慢和 CUDA 内存不足的困境。

一些注意力变体包括因果注意力、相对位置嵌入、Alibi、滑动窗口注意力、PrefixLM、文档掩码、不规则张量、PagedAttention 等。更糟糕的是，人们通常希望将这些变体组合在一起！比如滑动窗口注意力 + 文档掩码 + 因果注意力 + 上下文并行，又比如 PagedAttention + 滑动窗口的组合。

下图左侧代表了当今的现状 —— 一些掩码 + 偏置 + 设置的组合已经有现成的内核实现。然而，各种选项的添加会导致设置呈指数级增长。更糟糕的是，这种方式不会支持新的注意力变体。

为了彻底地解决这个超立方体问题，PyTorch 团队引入了 FlexAttention，一个新的 PyTorch API。

FlexAttention 是一个灵活的 API，允许用户使用几行惯用的 PyTorch 代码就能实现多个注意力变体。
团队人员通过 torch.compile 将其降低到一个融合的 FlashAttention 内核中，生成了一个不会占用额外内存且性能可与手写内核相媲美的 FlashAttention 内核。
利用 PyTorch 的自动求导机制自动生成反向传播。
最后，PyTorch 团队还可以利用注意力掩码中的稀疏性，从而显著改善标准注意力实现。

FlashAttention 1-3 版本的参与者 Tri Dao 对这项研究进行了转发并评论：这项研究使得很多技术都融合在一起了。

FlexAttention

经典的注意力方程式如下：

代码形式：

FlexAttention 形式如下，其通过接受用户定义的函数 score_mod 来解决上述问题。

代码形式：

此函数允许用户在 softmax 之前修改注意力分数。研究人员发现，该函数最终足以满足大多数用户对注意力变体的需求。

具体而言，score_mod 如下：

要应用此函数，可以将其实现为：

for b in range (batch_size):
    for h in range (num_heads):
        for q_idx in range (sequence_length):
            for kv_idx in range (sequence_length):
                modified_scores [b, h, q_idx, kv_idx] = score_mod (scores [b, h, q_idx, kv_idx], b, h, q_idx, kv_idx)

最终的 API 具有令人惊讶的表达能力。

Score Mod 示例

全注意力

在这种情况下，score_mod 无操作，它接受分数作为输入，然后原样返回它们。