aclnnPromptFlashAttention

支持的产品型号

Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件
Atlas 推理系列加速卡产品

功能说明

算子功能：全量推理场景的FlashAttention算子。
计算公式：

self-attention（自注意力）利用输入样本自身的关系构建了一种注意力模型。其原理是假设有一个长度为 $n$ 的输入样本序列 $x$ ， $x$ 的每个元素都是一个 $d$ 维向量，可以将每个 $d$ 维向量看作一个token embedding，将这样一条序列经过3个权重矩阵变换得到3个维度为 $n*d$ 的矩阵。

self-attention的计算公式一般定义如下，其中 $Q、K、V$ 为输入样本的重要属性元素，是输入样本经过空间变换得到，且可以统一到一个特征空间中。公式及算子名称中的"Attention"为"self-attention"的简写。
$Attention(Q,K,V)=Score(Q,K)V$
本算子中Score函数采用Softmax函数，self-attention计算公式为：
$Attention(Q,K,V)=Softmax(\frac{QK^T}{\sqrt{d}})V$
其中 $Q$ 和 $K^T$ 的乘积代表输入 $x$ 的注意力，为避免该值变得过大，通常除以 $d$ 的开根号进行缩放，并对每行进行softmax归一化，与 $V$ 相乘后得到一个n*d的矩阵。

函数原型

算子执行接口为两段式接口，必须先调用“aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize”接口获取计算所需workspace大小以及包含了算子计算流程的执行器，再调用“aclnnPromptFlashAttention”接口执行计算。

aclnnStatus aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize(const aclTensor *query, const aclTensor *key, const aclTensor *value, const aclTensor *pseShift, const aclTensor *attenMask, const aclIntArray *actualSeqLengths, int64_t numHeads, double scaleValue, int64_t preTokens, int64_t nextTokens, char* inputLayout, int64_t numKeyValueHeads, const aclTensor *attentionOut, uint64_t *workspaceSize, aclOpExecutor **executor)
aclnnStatus aclnnPromptFlashAttention(void *workspace, uint64_t workspaceSize, aclOpExecutor *executor, aclrtStream stream)

aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize

参数说明：
- query（aclTensor*，计算输入）：Device侧的aclTensor，公式中的输入Q，数据类型与key的数据类型需满足数据类型推导规则，即保持与key、value的数据类型一致。不支持非连续的Tensor，数据格式支持ND。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16
  - Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型仅支持FLOAT16
- key（aclTensor*，计算输入）：Device侧的aclTensor，公式中的输入K，数据类型与query的数据类型需满足数据类型推导规则，即保持与query、value的数据类型一致。不支持非连续的Tensor，数据格式支持ND。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16
  - Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型仅支持FLOAT16
- value（aclTensor*，计算输入）：Device侧的aclTensor，公式中的输入V，数据类型与query的数据类型需满足数据类型推导规则，即保持与query、key的数据类型一致。不支持非连续的Tensor，数据格式支持ND。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16
  - Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型仅支持FLOAT16
- pseShift（aclTensor*，计算输入）：Device侧的aclTensor，数据类型与query的数据类型需满足数据类型推导规则。不支持非连续的Tensor，数据格式支持ND。预留参数，暂未使用，目前该参数会被强制设置为nullptr。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16
  - Atlas 推理系列加速卡产品：仅支持nullptr
- attenMask（aclTensor*，计算输入）：Device侧的aclTensor，代表下三角全为0上三角全为负无穷的倒三角mask矩阵，不支持非连续的Tensor。数据格式支持ND。如果不使用该功能可传入nullptr。通常建议shape输入Q_S,KV_S;B,Q_S,KV_S;1,Q_S,KV_S;B,1,Q_S,KV_S;1,1,Q_S,KV_S，其中Q_S为query的shape中的S，KV_S为key和value的shape中的S，对于attenMask的KV_S为非32字节对齐的场景，建议padding到32字节对齐来提高性能，多余部分填充成1。综合约束请见约束说明。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持BOOL、INT8、UINT8
  - Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型仅支持BOOL
- actualSeqLengths（aclIntArray*，计算输入）：Host侧的aclIntArray，代表不同Batch中query的有效Sequence Length。如果不指定seqlen可以传入nullptr，表示和query的shape的S长度相同。限制：该入参中每个batch中的有效Sequence Length应该不大于query中对应batch的Sequence Length。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持INT64
  - Atlas 推理系列加速卡产品：仅支持nullptr
- numHeads（int64_t，计算输入）：Host侧的int，代表query的head个数，数据类型支持INT64。限制：在BNSD/NSD场景下，需要与shape中的query的N轴shape值相同。
- scaleValue（double，计算输入）：Host侧的double，公式中d开根号的倒数，代表缩放系数，作为计算流中Muls的scalar值，数据类型支持DOUBLE。数据类型与query的数据类型需满足数据类型推导规则。用户不特意指定时建议传入1.0。
- preTokens（int64_t，计算输入）：Host侧的int，用于稀疏计算，表示attention需要和前几个Token计算关联。用户不特意指定时建议传入2147483647，支持负数。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持INT64
  - Atlas 推理系列加速卡产品：仅支持取值2147483647
- nextTokens（int64_t，计算输入）：Host侧的int，用于稀疏计算，表示attention需要和后几个Token计算关联。数据类型支持INT64。用户不特意指定时建议传入0，支持负数。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持INT64
  - Atlas 推理系列加速卡产品：仅支持取值0和2147483647
- inputLayout（char*，计算输入）：Host侧的字符指针CHAR*，用于标识输入query、key、value的数据排布格式，当前支持BSH、BSND、BNSD、BNSD_BSND(输入为BNSD时，输出格式为BSND)。用户不特意指定时建议传入"BSH"。
说明： query、key、value数据排布格式支持从多种维度解读，其中B（Batch）表示输入样本批量大小、S（Seq-Length）表示输入样本序列长度、H（Head-Size）表示隐藏层的大小、N（Head-Num）表示多头数、D（Head-Dim）表示隐藏层最小的单元尺寸，且满足D=H/N。
- numKeyValueHeads（int64_t，计算输入）：Host侧的int，代表key、value中head个数，用于支持GQA（Grouped-Query Attention，分组查询注意力）场景。用户不特意指定时建议传入0，表示key/value和query的head个数相等。限制：需要满足numHeads整除numKeyValueHeads，numHeads与numKeyValueHeads的比值不能大于64，且在BSND、BNSD、BNSD_BSND场景下，需要与shape中的key/value的N轴shape值相同，否则报错。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持INT64
  - Atlas 推理系列加速卡产品：仅支持取值0
- attentionOut（aclTensor*，计算输出）：Device侧的aclTensor，公式中的输出，数据格式支持ND。限制：当inputLayout为BNSD_BSND时，输入query的shape是BNSD，输出shape为BSND；其余情况该入参的shape需要与入参query的shape保持一致。
  - Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：数据类型支持FLOAT16、BFLOAT16、INT8
  - Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型支持FLOAT16
- workspaceSize（uint64_t*，出参）：返回用户需要在Device侧申请的workspace大小。
- executor（aclOpExecutor**，出参）：返回op执行器，包含了算子计算流程。

返回值：

返回aclnnStatus状态码，具体参见aclnn返回码。

第一段接口完成入参校验，若出现以下错误码，则对应原因为：
-  返回161001（ACLNN_ERR_PARAM_NULLPTR）：如果传入参数是必选输入，输出或者必选属性，且是空指针，则返回161001。
-  返回161002（ACLNN_ERR_PARAM_INVALID）：query、key、value、pseShift、attenMask、attentionOut的数据类型和数据格式不在支持的范围内。
-  返回361001（ACLNN_ERR_RUNTIME_ERROR）：API内存调用npu runtime的接口异常。

aclnnPromptFlashAttention

参数说明：
- workspace（void*，入参）：在Device侧申请的workspace内存地址。
- workspaceSize（uint64_t，入参）：在Device侧申请的workspace大小，由第一段接口aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize获取。
- executor（aclOpExecutor*，入参）：op执行器，包含了算子计算流程。
- stream（aclrtStream，入参）：指定执行任务的AscendCL stream流。
返回值：

返回aclnnStatus状态码，具体参见aclnn返回码。

约束说明

该接口与PyTorch配合使用时，需要保证CANN相关包与PyTorch相关包的版本匹配。
入参为空的处理：算子内部需要判断参数query是否为空，如果是空则直接返回。参数query不为空Tensor，参数key、value为空tensor（即S2为0），则attentionOut填充为全零。attentionOut为空Tensor时，AscendCLNN框架会处理。其余在上述参数说明中标注了"可传入nullptr"的入参为空指针时，不进行处理。
query，key，value输入，功能使用限制如下：
- Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：
  - 支持B轴小于等于65536(64k)，输入类型包含INT8时D轴非32对齐或输入类型为FLOAT16或BFLOAT16时D轴非16对齐时，B轴仅支持到128；
  - 支持N轴小于等于256；
  - S支持小于等于20971520（20M）。部分长序列场景下，如果计算量过大可能会导致pfa算子执行超时（aicore error类型报错，errorStr为:timeout or trap error），此场景下建议做S切分处理，注：这里计算量会受B、S、N、D等的影响，值越大计算量越大。典型的会超时的长序列（即B、S、N、D的乘积较大）场景包括但不限于：
    - B=1,Q_N=20,Q_S=2097152,D=256,KV_N=1,KV_S=2097152;
    - B=1,Q_N=2,Q_S=20971520,D=256,KV_N=2,KV_S=20971520;
    - B=20,Q_N=1,Q_S=2097152,D=256,KV_N=1,KV_S=2097152;
    - B=1,Q_N=10,Q_S=2097152,D=512,KV_N=1,KV_S=2097152。
  - 支持D轴小于等于512。inputLayout为BSH或者BSND时，要求N*D小于65535。
- Atlas 推理系列加速卡产品：
  - 支持B轴小于等于128；
  - 支持N轴小于等于256；
  - 支持S轴小于等于65535(64k), Q_S或KV_S非128对齐，Q_S和KV_S不等长的场景不支持配置atten_mask；
  - 支持D轴小于等于512。

调用示例

示例代码如下，仅供参考，具体编译和执行过程请参考编译与运行样例。

    #include <iostream>
    #include <vector>
    #include <math.h>
    #include <cstring>
    #include "acl/acl.h"
    #include "aclnnop/aclnn_prompt_flash_attention.h"
     
    using namespace std;
     
    #define CHECK_RET(cond, return_expr) \
      do {                               \
        if (!(cond)) {                   \
          return_expr;                   \
        }                                \
      } while (0)
     
    #define LOG_PRINT(message, ...)     \
      do {                              \
        printf(message, ##__VA_ARGS__); \
      } while (0)
     
    int64_t GetShapeSize(const std::vector<int64_t>& shape) {
      int64_t shapeSize = 1;
      for (auto i : shape) {
        shapeSize *= i;
      }
      return shapeSize;
    }
     
    int Init(int32_t deviceId, aclrtStream* stream) {
      // 固定写法，AscendCL初始化
      auto ret = aclInit(nullptr);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclInit failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      ret = aclrtSetDevice(deviceId);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclrtSetDevice failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      ret = aclrtCreateStream(stream);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclrtCreateStream failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      return 0;
    }
     
    template <typename T>
    int CreateAclTensor(const std::vector<T>& hostData, const std::vector<int64_t>& shape, void** deviceAddr,
                        aclDataType dataType, aclTensor** tensor) {
      auto size = GetShapeSize(shape) * sizeof(T);
      // 调用aclrtMalloc申请device侧内存
      auto ret = aclrtMalloc(deviceAddr, size, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclrtMalloc failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      // 调用aclrtMemcpy将host侧数据拷贝到device侧内存上
      ret = aclrtMemcpy(*deviceAddr, size, hostData.data(), size, ACL_MEMCPY_HOST_TO_DEVICE);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclrtMemcpy failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
     
      // 计算连续tensor的strides
      std::vector<int64_t> strides(shape.size(), 1);
      for (int64_t i = shape.size() - 2; i >= 0; i--) {
        strides[i] = shape[i + 1] * strides[i + 1];
      }
     
      // 调用aclCreateTensor接口创建aclTensor
      *tensor = aclCreateTensor(shape.data(), shape.size(), dataType, strides.data(), 0, aclFormat::ACL_FORMAT_ND,
                                shape.data(), shape.size(), *deviceAddr);
      return 0;
    }
     
    int main() {
      // 1. （固定写法）device/stream初始化，参考AscendCL对外接口列表
      // 根据自己的实际device填写deviceId
      int32_t deviceId = 0;
      aclrtStream stream;
      auto ret = Init(deviceId, &stream);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("Init acl failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
     
      // 2. 构造输入与输出，需要根据API的接口自定义构造
      int32_t batchSize = 1;
      int32_t numHeads = 2;
      int32_t sequenceLengthQ = 1;
      int32_t headDims = 16;
      int32_t keyNumHeads = 2;
      int32_t sequenceLengthKV = 16;
      std::vector<int64_t> queryShape = {batchSize, numHeads, sequenceLengthQ, headDims}; // BNSD
      std::vector<int64_t> keyShape = {batchSize, keyNumHeads, sequenceLengthKV, headDims}; // BNSD
      std::vector<int64_t> valueShape = {batchSize, keyNumHeads, sequenceLengthKV, headDims}; // BNSD
      std::vector<int64_t> attenShape = {batchSize, 1, 1, sequenceLengthKV}; // B11S
      std::vector<int64_t> outShape = {batchSize, numHeads, sequenceLengthQ, headDims}; // BNSD
      void *queryDeviceAddr = nullptr;
      void *keyDeviceAddr = nullptr;
      void *valueDeviceAddr = nullptr;
      void *attenDeviceAddr = nullptr;
      void *outDeviceAddr = nullptr;
      aclTensor *queryTensor = nullptr;
      aclTensor *keyTensor = nullptr;
      aclTensor *valueTensor = nullptr;
      aclTensor *attenTensor = nullptr;
      aclTensor *outTensor = nullptr;
      std::vector<float> queryHostData(batchSize * numHeads * sequenceLengthQ * headDims, 1.0f);
      std::vector<float> keyHostData(batchSize * keyNumHeads * sequenceLengthKV * headDims, 1.0f);
      std::vector<float> valueHostData(batchSize * keyNumHeads * sequenceLengthKV * headDims, 1.0f);
      std::vector<int8_t> attenHostData(batchSize * sequenceLengthKV, 0);
      std::vector<float> outHostData(batchSize * numHeads * sequenceLengthQ * headDims, 1.0f);
     
      // 创建query aclTensor
      ret = CreateAclTensor(queryHostData, queryShape, &queryDeviceAddr, aclDataType::ACL_FLOAT16, &queryTensor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, return ret);
      // 创建key aclTensor
      ret = CreateAclTensor(keyHostData, keyShape, &keyDeviceAddr, aclDataType::ACL_FLOAT16, &keyTensor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, return ret);
      // 创建value aclTensor
      ret = CreateAclTensor(valueHostData, valueShape, &valueDeviceAddr, aclDataType::ACL_FLOAT16, &valueTensor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, return ret);
      // 创建atten aclTensor
      ret = CreateAclTensor(attenHostData, attenShape, &attenDeviceAddr, aclDataType::ACL_BOOL, &attenTensor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, return ret);
      // 创建out aclTensor
      ret = CreateAclTensor(outHostData, outShape, &outDeviceAddr, aclDataType::ACL_FLOAT16, &outTensor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, return ret);
      
      std::vector<int64_t> actualSeqlenVector = {sequenceLengthKV};
      auto actualSeqLengths = aclCreateIntArray(actualSeqlenVector.data(), actualSeqlenVector.size());
      
      int64_t numKeyValueHeads = numHeads;
      double scaleValue = 1 / sqrt(headDims); // 1/sqrt(d)
      int64_t preTokens = 65535;
      int64_t nextTokens = 65535;
      string sLayerOut = "BNSD";
      char layerOut[sLayerOut.length()];
      strcpy(layerOut, sLayerOut.c_str());
      // 3. 调用CANN算子库API
      uint64_t workspaceSize = 0;
      aclOpExecutor* executor;
      // 调用第一段接口
      ret = aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize(queryTensor, keyTensor, valueTensor, nullptr, nullptr, nullptr, numHeads, scaleValue, 
        preTokens, nextTokens, layerOut, numKeyValueHeads, outTensor, &workspaceSize, &executor);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclnnPromptFlashAttentionGetWorkspaceSize failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      // 根据第一段接口计算出的workspaceSize申请device内存
      void* workspaceAddr = nullptr;
      if (workspaceSize > 0) {
        ret = aclrtMalloc(&workspaceAddr, workspaceSize, ACL_MEM_MALLOC_HUGE_FIRST);
        CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("allocate workspace failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      }
      // 调用第二段接口
      ret = aclnnPromptFlashAttention(workspaceAddr, workspaceSize, executor, stream);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclnnPromptFlashAttention failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
     
      // 4. （固定写法）同步等待任务执行结束
      ret = aclrtSynchronizeStream(stream);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("aclrtSynchronizeStream failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
     
      // 5. 获取输出的值，将device侧内存上的结果拷贝至host侧，需要根据具体API的接口定义修改
      auto size = GetShapeSize(outShape);
      std::vector<double> resultData(size, 0);
      ret = aclrtMemcpy(resultData.data(), resultData.size() * sizeof(resultData[0]), outDeviceAddr,
                        size * sizeof(resultData[0]), ACL_MEMCPY_DEVICE_TO_HOST);
      CHECK_RET(ret == ACL_SUCCESS, LOG_PRINT("copy result from device to host failed. ERROR: %d\n", ret); return ret);
      for (int64_t i = 0; i < size; i++) {
        LOG_PRINT("result[%ld] is: %f\n", i, resultData[i]);
      }
     
      // 6. 释放资源
      aclDestroyTensor(queryTensor);
      aclDestroyTensor(keyTensor);
      aclDestroyTensor(valueTensor);
      aclDestroyTensor(attenTensor);
      aclDestroyTensor(outTensor);
      aclDestroyIntArray(actualSeqLengths);
      aclrtFree(queryDeviceAddr);
      aclrtFree(keyDeviceAddr);
      aclrtFree(valueDeviceAddr);
      aclrtFree(attenDeviceAddr);
      aclrtFree(outDeviceAddr);
      if (workspaceSize > 0) {
        aclrtFree(workspaceAddr);
      }
      aclrtDestroyStream(stream);
      aclrtResetDevice(deviceId);
      aclFinalize();
      return 0;
    }
    ```