torch_npu.npu_prompt_flash_attention

功能描述

全量FA实现，实现对应公式：

接口原型

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torch_npu.npu_prompt_flash_attention(Tensor query, Tensor key, Tensor value, *, Tensor? pse_shift=None, padding_mask=None, Tensor? atten_mask=None, int[]? actual_seq_lengths=None, Tensor? deq_scale1=None, Tensor? quant_scale1=None, Tensor? deq_scale2=None, Tensor? quant_scale2=None, Tensor? quant_offset2=None, int num_heads=1, float scale_value=1.0, int pre_tokens=2147473647, int next_tokens=0, str input_layout="BSH", int num_key_value_heads=0, int[]? actual_seq_lengths_kv=None, int sparse_mode=0) -> Tensor

参数说明

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、T表示所有Batch输入样本序列长度的累加和。

• query：Tensor类型，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 推理系列加速卡产品：数据类型支持float16。
  • 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 A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float16、bfloat16、int8。
• key：Tensor类型，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 推理系列加速卡产品：数据类型支持float16。
  • 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 A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float16、bfloat16、int8。
• value：Tensor类型，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 推理系列加速卡产品：数据类型支持float16。
  • 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 A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float16、bfloat16、int8。

• *：代表其之前的变量是位置相关，需要按照顺序输入，必选；之后的变量是键值对赋值的，位置无关，可选（不输入会使用默认值）。
• pse_shift：Tensor类型，可选参数。不支持非连续的Tensor，数据格式支持ND。输入shape类型需为（B, N, Q_S, KV_S）或（1, N, 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pse_shift的KV_S为非32字节对齐的场景，建议padding到32字节来提高性能，多余部分的填充值不做要求。如不使用该功能时传入None。综合约束请见约束说明。
  • Atlas 推理系列加速卡产品：暂不支持该参数。
  • 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float16、bfloat16。当pse_shift为float16时，要求query为float16或int8；当pse_shift为bfloat16时，要求query为bfloat16。在query、key、value为float16且pse_shift存在的情况下，默认走高精度模式。
  • Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float16、bfloat16。当pse_shift为float16时，要求query为float16或int8；当pse_shift为bfloat16时，要求query为bfloat16。在query、key、value为float16且pse_shift存在的情况下，默认走高精度模式。
• padding_mask：预留参数，暂未使用，默认值为None。
• atten_mask：Tensor类型，代表下三角全为0上三角全为负无穷的倒三角mask矩阵，数据类型支持bool、int8和uint8。数据格式支持ND，不支持非连续的Tensor。如果不使用该功能传入None。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。
• actual_seq_lengths：int类型数组，代表不同Batch中query的有效seqlen，数据类型支持int64。如果不指定seqlen可以传入None，表示和query的shape的s长度相同。限制：该入参中每个batch的有效seqlen应该不大于query中对应batch的seqlen。seqlen的传入长度为1时，每个Batch使用相同seqlen；传入长度大于等于Batch数时取seqlen的前Batch个数。其它长度不支持。
  • Atlas 推理系列加速卡产品：暂不支持该参数，传入None。
  • Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：支持TND格式。当query的input_layout为TND时，该入参必须传入，且以该入参元素的数量作为Batch值。该入参中每个元素的值表示当前Batch与之前所有Batch的seqlen和，因此后一个元素的值必须大于等于前一个元素的值，且不能出现负值。
  • Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：支持TND格式。当query的input_layout为TND时，该入参必须传入，且以该入参元素的数量作为Batch值。该入参中每个元素的值表示当前Batch与之前所有Batch的seqlen和，因此后一个元素的值必须大于等于前一个元素的值，且不能出现负值。
• deq_scale1：Tensor类型，表示BMM1后面的反量化因子，支持per-tensor。数据类型支持uint64、float32，数据格式支持ND。 如不使用该功能时可传入None。Atlas 推理系列加速卡产品暂不支持该参数。
• quant_scale1：Tensor类型，数据类型支持float32。数据格式支持ND，表示BMM2前面的量化因子，支持per-tensor。 如不使用该功能时可传入None。Atlas 推理系列加速卡产品暂不支持该参数。
• deq_scale2：Tensor类型，数据类型支持uint64、float32。数据格式支持ND，表示BMM2后面的反量化因子，支持per-tensor。 如不使用该功能时可传入None。Atlas 推理系列加速卡产品暂不支持该参数。
• quant_scale2：Tensor类型，数据格式支持ND，表示输出的量化因子，支持per-tensor、per-channel。如不使用该功能时可传入None。
  • Atlas 推理系列加速卡产品：暂不支持该参数。
  • 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float32、bfloat16。当输入为bfloat16时，同时支持float32和bfloat16 ，否则仅支持float32 。per-channel格式，当输出layout为BSH时，要求quant_scale2所有维度的乘积等于H；其他layout要求乘积等于N*D（建议输出layout为BSH时，quant_scale2 shape传入(1, 1, H)或(H,)；输出为BNSD时，建议传入(1, N, 1, D)或(N, D)；输出为BSND时，建议传入(1, 1, N, D)或(N, D)）。
  • Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float32、bfloat16。当输入为bfloat16时，同时支持float32和bfloat16 ，否则仅支持float32 。per-channel格式，当输出layout为BSH时，要求quant_scale2所有维度的乘积等于H；其他layout要求乘积等于N*D（建议输出layout为BSH时，quant_scale2 shape传入(1, 1, H)或(H,)；输出为BNSD时，建议传入(1, N, 1, D)或(N, D)；输出为BSND时，建议传入(1, 1, N, D)或(N, D)）。
• quant_offset2：Tensor类型，数据格式支持ND，表示输出的量化偏移，支持per-tensor、per-channel。若传入quant_offset2，需保证其类型和shape信息与quant_scale2一致。如不使用该功能时可传入None。
  • Atlas 推理系列加速卡产品：暂不支持该参数。
  • 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float32、bfloat16。
  • Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float32、bfloat16。
• num_heads：int类型数组，代表query的head个数，数据类型支持int64。
• scale_value：浮点型，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float。数据类型与query的数据类型需满足数据类型推导规则。用户不特意指定时可传入默认值1.0。
• pre_tokens：int类型，用于稀疏计算，表示attention需要和前几个Token计算关联，数据类型支持int64。用户不特意指定时可传入默认值2147483647。Atlas 推理系列加速卡产品仅支持默认值2147483647。
• next_tokens：int类型，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。用户不特意指定时可传入默认值0。Atlas 推理系列加速卡产品仅支持0和2147483647。
• input_layout：字符串类型，用于标识输入query、key、value的数据排布格式，当前支持BSH、BSND、BNSD、BNSD、BNSD_BSND（输入为BNSD时，输出格式为BSND）、TND（不支持pse、全量化、后量化）。用户不特意指定时可传入默认值"BSH"。
• num_key_value_heads：int类型，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，数据类型支持int64。用户不特意指定时可传入默认值0，表示key/value和query的head个数相等。限制：需要满足num_heads整除num_key_value_heads，num_heads与num_key_value_heads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 推理系列加速卡产品仅支持默认值0。
• actual_seq_lengths_kv：int类型数组，代表不同batch中key/value的有效seqlenKV。数据类型支持int64。限制：该入参中每个batch的有效seqlenKV应该不大于key/value中对应batch的seqlenKV。seqlenKV的传入长度为1时，每个Batch使用相同seqlenKV；传入长度大于等于Batch数时取seqlenKV的前Batch个数，其它长度不支持。
  • Atlas 推理系列加速卡产品：暂不支持该参数，传入None。
  • Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件：支持TND格式。当key/value的input_layout为TND时，该入参必须传入，且以该入参元素的数量作为Batch值。该入参中每个元素的值表示当前Batch与之前所有Batch的seqlenKV和，因此后一个元素的值必须大于等于前一个元素的值，且不能出现负值
  • Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：支持TND格式。当key/value的input_layout为TND时，该入参必须传入，且以该入参元素的数量作为Batch值。该入参中每个元素的值表示当前Batch与之前所有Batch的seqlenKV和，因此后一个元素的值必须大于等于前一个元素的值，且不能出现负值。
• sparse_mode：int类型，表示sparse的模式，数据类型支持int64。Atlas 推理系列加速卡产品仅支持默认值0。
  • sparse_mode为0时，代表defaultMask模式，如果atten_mask未传入则不做mask操作，忽略preTokens和nextTokens（内部赋值为INT_MAX）；如果传入，则需要传入完整的atten_mask矩阵（S1 * S2），表示pre_tokens和next_tokens之间的部分需要计算。
  • sparse_mode为1时，代表allMask。
  • sparse_mode为2时，代表leftUpCausal模式的mask，需要传入优化后的atten_mask矩阵（2048*2048）。
  • sparse_mode为3时，代表rightDownCausal模式的mask，均对应以左顶点为划分的下三角场景，需要传入优化后的atten_mask矩阵（2048*2048）。
  • sparse_mode为4时，代表band模式的mask，需要传入优化后的atten_mask矩阵（2048*2048）。
  • sparse_mode为5、6、7、8时，分别代表prefix、global、dilated、block_local，均暂不支持。用户不特意指定时可传入默认值0。综合约束请见约束说明。

输出说明

atten_out：Tensor类型，计算的最终结果，shape与query保持一致。

• Atlas 推理系列加速卡产品：数据类型支持float16。
• 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 A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品：数据类型支持float16、bfloat16、int8。

约束说明

• 该接口仅在推理场景下使用。
• 该接口支持图模式（目前仅支持PyTorch 2.1版本）。
• 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)，则填充全零的对应shape的输出(填充attention_out)。attention_out为空Tensor时，AscendCLNN框架会处理。
• query、key、value输入，功能使用限制如下：

  产品型号	轴约束
  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)。 支持D轴小于等于512。
  Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件 Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品	支持B轴小于等于65536(64k)，D轴32byte不对齐时仅支持到128。 支持N轴小于等于256。 S支持小于等于20971520（20M）。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=1048576，D = 256，KV_N=1，KV_S=1048576。 B=1，Q_N=2，Q_S=10485760，D = 256，KV_N=2，KV_S=10485760。 B=20，Q_N=1，Q_S=1048576，D = 256，KV_N=1，KV_S=1048576。 B=1，Q_N=10，Q_S=1048576，D = 512，KV_N=1，KV_S=1048576。 支持D轴小于等于512。input_layout为BSH或者BSND时，要求N*D小于65535。 TND场景下query，key，value输入的综合限制： B=1，Q_N=20，Q_S=1048576，D = 256，KV_N=1，KV_S=1048576。 T小于等于65536; N等于8/16/32/64/128，且Q_N、K_N、V_N相等; Q_D、K_D等于192，V_D等于128/192; 数据类型仅支持BFLOAT16; sparse模式仅支持sparse=0且不传mask，或sparse=3且传入mask； 当sparse=3时，要求每个batch单独的actualSeqLengths < actualSeqLengthsKv。

• 参数sparse_mode当前仅支持值为0、1、2、3、4的场景，取其它值时会报错。
  • sparse_mode=0时，atten_mask如果为None，则忽略入参pre_tokens、next_tokens（内部赋值为INT_MAX）。
  • sparse_mode=2、3、4时，atten_mask的shape需要为(S, S)或(1, S, S)或(1, 1, S, S)，其中S的值需要固定为2048，且需要用户保证传入的atten_mask为下三角，不传入atten_mask或者传入的shape不正确报错。
  • sparse_mode=1、2、3的场景忽略入参pre_tokens、next_tokens并按照相关规则赋值。
• int8量化相关入参数量与输入、输出数据格式的综合限制：
  • 输入为int8，输出为int8的场景：入参deq_scale1、quant_scale1、deq_scale2、quant_scale2需要同时存在，quant_offset2可选，不传时默认为0。
  • 输入为int8，输出为float16的场景：入参deq_scale1、quant_scale1、deq_scale2需要同时存在，若存在入参quant_offset2或quant_scale2（即不为None），则报错并返回。
  • 输入为float16或bfloat16，输出为int8的场景：入参quant_scale2需存在，quant_offset2可选，不传时默认为0，若存在入参deq_scale1或quant_scale1或deq_scale2（即不为None），则报错并返回。
  • 入参quant_offset2和quant_scale2支持per-tensor/per-channel两种格式和float32/bfloat16两种数据类型。若传入quant_offset2，需保证其类型和shape信息与quant_scale2一致。当输入为bfloat16时，同时支持float32和bfloat16，否则仅支持float32。per-channel格式，当输出layout为BSH时，要求quant_scale2所有维度的乘积等于H；其他layout要求乘积等于N*D。当输出layout为BSH时，quant_scale2 shape建议传入(1, 1, H)或(H,)；当输出为BNSD时，建议传入(1, N, 1, D)或(N, D)；当输出为BSND时，建议传入(1, 1, N, D)或(N, D)。per-tensor格式，建议D轴对齐到32Byte。
  • per-channel格式，入参quant_scale2和quant_offset2暂不支持左padding、Ring Attention或者D非32Byte对齐的场景。
  • 输出为int8时，暂不支持sparse为band且pre_tokens/next_tokens为负数。
• pse_shift功能使用限制如下：
  • 支持query数据类型为float16或bfloat16或int8场景下使用该功能。
  • query，key，value数据类型为float16且pse_shift存在时，强制走高精度模式，对应的限制继承自高精度模式的限制。
  • Q_S需大于等于query的S长度，KV_S需大于等于key的S长度。
• 输出为int8，入参quant_offset2传入非None和非空tensor值，并且sparse_mode、pre_tokens和next_tokens满足以下条件，矩阵会存在某几行不参与计算的情况，导致计算结果误差，该场景会拦截：
  • sparseMode=0，atten_mask如果非None，每个batch actual_seq_lengths-actual_seq_lengths_kv-pre_tokens>0或nextTokens<0时，满足拦截条件。
  • sparseMode=1或2，不会出现满足拦截条件的情况。
  • sparseMode=3，每个batch actual_seq_lengths_kv- actual_seq_lengths<0，满足拦截条件。
  • sparseMode= 4，preTokens<0或每个batch next_tokens+actual_seq_lengths_kv-actual_seq_lengths<0时，满足拦截条件。
• kv伪量化参数分离当前暂不支持。
• 暂不支持D不对齐场景。

支持的型号

• Atlas A2 训练系列产品/Atlas 800I A2 推理产品/A200I A2 Box 异构组件
• Atlas A3 训练系列产品/Atlas A3 推理系列产品
• Atlas 推理系列加速卡产品

调用示例

• 单算子调用

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  import torch import torch_npu import math # 生成随机数据，并发送到npu q = torch.randn(1, 8, 164, 128, dtype=torch.float16).npu() k = torch.randn(1, 8, 1024, 128, dtype=torch.float16).npu() v = torch.randn(1, 8, 1024, 128, dtype=torch.float16).npu() scale = 1/math.sqrt(128.0) actseqlen = [164] actseqlenkv = [1024] # 调用PFA算子 out = torch_npu.npu_prompt_flash_attention(q, k, v, actual_seq_lengths = actseqlen, actual_seq_lengths_kv = actseqlenkv, num_heads = 8, input_layout = "BNSD", scale_value=scale, pre_tokens=65535, next_tokens=65535) # 执行上述代码的输出类似如下 tensor([[[[ 0.0219, 0.0201, 0.0049, ..., 0.0118, -0.0011, -0.0140], [ 0.0294, 0.0256, -0.0081, ..., 0.0267, 0.0067, -0.0117], [ 0.0285, 0.0296, 0.0011, ..., 0.0150, 0.0056, -0.0062], ..., [ 0.0177, 0.0194, -0.0060, ..., 0.0226, 0.0029, -0.0039], [ 0.0180, 0.0186, -0.0067, ..., 0.0204, -0.0045, -0.0164], [ 0.0176, 0.0288, -0.0091, ..., 0.0304, 0.0033, -0.0173]]]], device='npu:0', dtype=torch.float16)

• 图模式调用

  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

  # 入图方式 import torch import torch_npu import math import torchair as tng from torchair.configs.compiler_config import CompilerConfig import torch._dynamo TORCHDYNAMO_VERBOSE=1 TORCH_LOGS="+dynamo" # 支持入图的打印宏 import logging from torchair.core.utils import logger logger.setLevel(logging.DEBUG) config = CompilerConfig() config.debug.graph_dump.type = "pbtxt" npu_backend = tng.get_npu_backend(compiler_config=config) from torch.library import Library, impl # 数据生成 q = torch.randn(1, 8, 164, 128, dtype=torch.float16).npu() k = torch.randn(1, 8, 1024, 128, dtype=torch.float16).npu() v = torch.randn(1, 8, 1024, 128, dtype=torch.float16).npu() scale = 1/math.sqrt(128.0) class Model(torch.nn.Module): def __init__(self): super().__init__() def forward(self): return torch_npu.npu_prompt_flash_attention(q, k, v, num_heads = 8, input_layout = "BNSD", scale_value=scale, pre_tokens=65535, next_tokens=65535) def MetaInfershape(): with torch.no_grad(): model = Model() model = torch.compile(model, backend=npu_backend, dynamic=False, fullgraph=True) graph_output = model() single_op = torch_npu.npu_prompt_flash_attention(q, k, v, num_heads = 8, input_layout = "BNSD", scale_value=scale, pre_tokens=65535, next_tokens=65535) print("single op output with mask:", single_op, single_op.shape) print("graph output with mask:", graph_output, graph_output.shape) if __name__ == "__main__": MetaInfershape() # 执行上述代码的输出类似如下 single op output with mask: tensor([[[[ 0.0219, 0.0201, 0.0049, ..., 0.0118, -0.0011, -0.0140], [ 0.0294, 0.0256, -0.0081, ..., 0.0267, 0.0067, -0.0117], [ 0.0285, 0.0296, 0.0011, ..., 0.0150, 0.0056, -0.0062], ..., [ 0.0177, 0.0194, -0.0060, ..., 0.0226, 0.0029, -0.0039], [ 0.0180, 0.0186, -0.0067, ..., 0.0204, -0.0045, -0.0164], [ 0.0176, 0.0288, -0.0091, ..., 0.0304, 0.0033, -0.0173]]]], device='npu:0', dtype=torch.float16) torch.Size([1, 8, 164, 128]) graph output with mask: tensor([[[[ 0.0219, 0.0201, 0.0049, ..., 0.0118, -0.0011, -0.0140], [ 0.0294, 0.0256, -0.0081, ..., 0.0267, 0.0067, -0.0117], [ 0.0285, 0.0296, 0.0011, ..., 0.0150, 0.0056, -0.0062], ..., [ 0.0177, 0.0194, -0.0060, ..., 0.0226, 0.0029, -0.0039], [ 0.0180, 0.0186, -0.0067, ..., 0.0204, -0.0045, -0.0164], [ 0.0176, 0.0288, -0.0091, ..., 0.0304, 0.0033, -0.0173]]]], device='npu:0', dtype=torch.float16) torch.Size([1, 8, 164, 128])