清华SageAttention3，FP4量化5倍加速！且首次支持8比特训练

随着大型模型需要处理的序列长度不断增加，注意力运算（Attention）的时间开销逐渐成为主要开销。此前，清华大学陈键飞团队提出的即插即用的 SageAttention 和 SageAttention2 已经被业界及社区广泛的使用于各种开源及商业的大模型中，比如 Vidu，CogvideoX，Mochi，Wan，HunyuanVideo，Flux，Llama3，Qwen 等。

近日，清华大学陈键飞团队进一步提出了针对 BlackWell 架构的首个全 FP4 量化的即插即用注意力算子（SageAttention3）。实现了 5 倍相比于 FlashAttention 的即插即用的推理加速（此前的 SageAttention V1/V2/V2++ 分别达到了 2.1，3，3.9 倍的加速效果），比如在 RTX 5090 上，SageAttention3 达到了 1040 TOPS 的速度，甚至是比 RTX 5090 昂贵十几倍的 H100 上使用 Hopper 独有的 FlashAttention3 还要快 1.65 倍！SageAttention3 在多种视频和图像生成等大模型上（包括 HunyuanVideo，CogVideoX，Mochi 和各类图像生成模型）均保持了端到端的精度表现。同时还首次提出可训练的 8 比特注意力（SageBwd）用于大模型的训练加速（注：FlashAttention3 的 FP8 版本也只支持前向传播），在各项微调任务中均保持了与全精度注意力相同的结果。

• 论文标题：SageAttention3: Microscaling FP4 Attention for Inference and An Exploration of 8-bit Training
• 论文链接：https://arxiv.org/abs/2505.11594
• 开源代码：https://github.com/thu-ml/SageAttention

效果预览

SageAttention3 实现了高效的 Attention 算子，可以实现即插即用的 5 倍于 FlashAttention 的推理加速。即输入任意 Q, K, V 矩阵，可以快速返回 Attention Output (O)，真正做到了两行代码加速任意模型推理。（注：按照官方仓库中的开源计划，SageAttention2++ 的代码将于6月20日左右开源，SageAttention3 的代码将于7月15日左右开源。）

效果上，以 HunyuanVideo 为例，在 RTX5090 上 SageAttention3 可以 3 倍加速端到端的生成，且视频质量几乎无损：

视频 1（使用 FlashAttention2，490s）

视频 2（使用 SageAttention3,164s）

（注：FlashAttention2 已经是在 RTX5090 上最优的 FlashAttention 实现。）

接下来，将从前言，挑战，方法，以及实验效果四个方面介绍 SageAttention3。

SageAttention3 总体流程图

前言

随着大模型需要处理的序列长度越来越长，Attention 的速度优化变得越来越重要。下图展示了一个标准的 Transformer 模型中各运算的时间占比随序列长度的变化：

为了方便指代注意力运算中的矩阵，我们先回顾一下注意力的计算公式：

研究动机：（1）Blackwell 架构有着速度极快的 FP4 Tensor Core，以 RTX5090 为例，其速度是 FP16 Tensor Core 的 8 倍。（2）训练阶段的注意力运算开销也同样重要，在此之前并没有工作尝试过低比特注意力加速模型训练，包括 FlashAttention3 的 FP8 版本也只有 Forward 过程。我们还希望同时量化注意力的前向 + 反向过程来加速训练。

FP4 注意力量化有什么问题？

（1）FP4 数值类型仅有 15 个有效数值，这使得以 Tensor（Per-tensor）或以 Token（Per-token）粒度的量化都难以有效保证量化的准确度。

（2）P 矩阵的值分布在 [0, 1] 之间，直接的 FP4 量化会使量化缩放因子被限制在一个狭窄的范围内。然而，硬件要求这些量化因子必须采用 FP8 数据类型表示。此时，将缩放因子转为 FP8 时会导致显著的精度损失。

8-Bit 注意力用于训练有什么问题？

（1）P 矩阵的梯度对量化误差过于敏感，并且在反向过程中还会沿着序列长度对 Q 和 K 的梯度造成误差累积。

技术方案

为了解决上述的挑战，研究团队提出了对应的解决办法。

（1）为了提高 FP4 的量化精度。研究团队采用了 Microscaling FP4 量化，这是 BlackWell 硬件层面支持的一种量化方式。即可以采用 或 的量化粒度进行矩阵量化，NIVIDA 在硬件层面自动支持了反量化过程。此外，Microscaling FP4 有两种数据表示的形式，一种是 MXFP4, 另外一种是 NVFP4。两种格式都采用了 E2M1 的 FP4 数据类型。不同的是，NVFP4 的量化的块大小为，缩放因子的数据类型为 E4M3。MXFP4 的量化的块大小为，缩放因子的数据格式为 E8M0。研究团队采用了 NVFP4 数据格式，因为其量化准确率远高于 MXFP4：

（2）针对 P 的缩放因子范围狭窄的问题，研究团队提出了两阶段量化（Two-level Quantization）的办法。FlashAttention 中的 P 矩阵的值在 [0, 1] 的范围内，导致 P 的缩放因子的范围也只在 0~0.167 之间。把缩放因子直接转换为 FP8 格式会带来极大的精度损失。

于是研究团队决定先把 P 通过 Per-token 量化到 [0, ] 的范围内，再进行 FP4 的量化：

下表展示了 Two-Level Scaling 对精度的提升：

下图展示了 SageAttention3 的算法流程：

（3）在 8-Bit 训练 Attention 当中，研究团队对 Q，K，V 采用了 Per-block INT8 量化，对 P 巧妙地采用了无量化 Overhead 的 Per-token 量化。前向过程的算法如下：

在反向传播的过程中总共涉及到 5 个矩阵乘法：

研究团队发现是否量化 dOVT 对精度有着较大的影响：

于是研究团队将 dOVT 保留为 FP16 精度，而对其它四个矩阵乘法进行了量化。以下是反向传播的算法：

实验效果

SageAttention3 实现了 GPU 底层的 CUDA Kernel，在算子速度以及各个模型端到端准确度上都有十分不错的表现。

具体来说，算子速度相比于 FlashAttention2（5090 上最快的 FlashAttention） 和 xformers 有大约 5 倍以及 10 倍的加速：

各模型在真实场景的端到端精度表现中，在视频、图像生成等大模型上均保持了端到端的精度表现：

下图是在 HunyuanVideo 当中的可视化实例：

下图是在 Flux 上的可视化实例：

下图是在 Cogvideo 中的可视化实例：

下表展示了各个视频、图像生成模型中 SageAttention3 的端到端精度表现：

端到端的速度表现上，SageAttention3 的实现均可以有效地对长序列的模型进行加速，比如可以端到端 3 倍加速 HunyuanVideo：

8-Bit 训练 Attention 在 Base Model 微调到 Instruct Model 的任务上展现出与 BF16 的注意力完全一致的精度表现，下表是在多个不同的任务以及模型上微调的结果：

并且在训练速度上也能起到较好的加速效果：

研究团队还发现，目前的 8 比特用于训练的 Attention 虽然在微调任务上完全无损，但是在预训练任务上与全精度的 Attention 在 Loss 上还有一定差距，需要未来进一步的研究：

文章来自公众号“机器之心 ”