pythonProject/diffusers-main/docs/source/zh/optimization/fp16.md

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# 加速推理

Diffusion模型在推理时速度较慢，因为生成是一个迭代过程，需要经过一定数量的"步数"逐步将噪声细化为图像或视频。要加速这一过程，您可以尝试使用不同的[调度器](../api/schedulers/overview)、降低模型权重的精度以加快计算、使用更高效的内存注意力机制等方法。

将这些技术组合使用，可以比单独使用任何一种技术获得更快的推理速度。

本指南将介绍如何加速推理。

## 模型数据类型

模型权重的精度和数据类型会影响推理速度，因为更高的精度需要更多内存来加载，也需要更多时间进行计算。PyTorch默认以float32或全精度加载模型权重，因此更改数据类型是快速获得更快推理速度的简单方法。

<hfoptions id="dtypes">
<hfoption id="bfloat16">

bfloat16与float16类似，但对数值误差更稳健。硬件对bfloat16的支持各不相同，但大多数现代GPU都能支持bfloat16。

```py
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.bfloat16
).to("cuda")

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"
pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

</hfoption>
<hfoption id="float16">

float16与bfloat16类似，但可能更容易出现数值误差。

```py
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.float16
).to("cuda")

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"
pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

</hfoption>
<hfoption id="TensorFloat-32">

[TensorFloat-32 (tf32)](https://blogs.nvidia.com/blog/2020/05/14/tensorfloat-32-precision-format/)模式在NVIDIA Ampere GPU上受支持，它以tf32计算卷积和矩阵乘法运算。存储和其他操作保持在float32。与bfloat16或float16结合使用时，可以显著加快计算速度。

PyTorch默认仅对卷积启用tf32模式，您需要显式启用矩阵乘法的tf32模式。

```py
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

torch.backends.cuda.matmul.allow_tf32 = True

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.bfloat16
).to("cuda")

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"
pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

更多详情请参阅[混合精度训练](https://huggingface.co/docs/transformers/en/perf_train_gpu_one#mixed-precision)文档。

</hfoption>
</hfoptions>

## 缩放点积注意力

> [!TIP]
> 内存高效注意力优化了推理速度*和*[内存使用](./memory#memory-efficient-attention)！

[缩放点积注意力（SDPA）](https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.functional.scaled_dot_product_attention.html)实现了多种注意力后端，包括[FlashAttention](https://github.com/Dao-AILab/flash-attention)、[xFormers](https://github.com/facebookresearch/xformers)和原生C++实现。它会根据您的硬件自动选择最优的后端。

如果您使用的是PyTorch >= 2.0，SDPA默认启用，无需对代码进行任何额外更改。不过，您也可以尝试使用其他注意力后端来自行选择。下面的示例使用[torch.nn.attention.sdpa_kernel](https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.attention.sdpa_kernel.html)上下文管理器来启用高效注意力。

```py
from torch.nn.attention import SDPBackend, sdpa_kernel
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.bfloat16
).to("cuda")

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"

with sdpa_kernel(SDPBackend.EFFICIENT_ATTENTION):
  image = pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

## torch.compile

[torch.compile](https://pytorch.org/tutorials/intermediate/torch_compile_tutorial.html)通过将PyTorch代码和操作编译为优化的内核来加速推理。Diffusers通常会编译计算密集型的模型，如UNet、transformer或VAE。

启用以下编译器设置以获得最大速度（更多选项请参阅[完整列表](https://github.com/pytorch/pytorch/blob/main/torch/_inductor/config.py)）。

```py
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

torch._inductor.config.conv_1x1_as_mm = True
torch._inductor.config.coordinate_descent_tuning = True
torch._inductor.config.epilogue_fusion = False
torch._inductor.config.coordinate_descent_check_all_directions = True
```

加载并编译UNet和VAE。有几种不同的模式可供选择，但`"max-autotune"`通过编译为CUDA图来优化速度。CUDA图通过单个CPU操作启动多个GPU操作，有效减少了开销。

> [!TIP]
> 在PyTorch 2.3.1中，您可以控制torch.compile的缓存行为。这对于像`"max-autotune"`这样的编译模式特别有用，它会通过网格搜索多个编译标志来找到最优配置。更多详情请参阅[torch.compile中的编译时间缓存](https://pytorch.org/tutorials/recipes/torch_compile_caching_tutorial.html)教程。

将内存布局更改为[channels_last](./memory#torchchannels_last)也可以优化内存和推理速度。

```py
pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.float16
).to("cuda")
pipeline.unet.to(memory_format=torch.channels_last)
pipeline.vae.to(memory_format=torch.channels_last)
pipeline.unet = torch.compile(
    pipeline.unet, mode="max-autotune", fullgraph=True
)
pipeline.vae.decode = torch.compile(
    pipeline.vae.decode,
    mode="max-autotune",
    fullgraph=True
)

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"
pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

第一次编译时速度较慢，但一旦编译完成，速度会显著提升。尽量只在相同类型的推理操作上使用编译后的管道。在不同尺寸的图像上调用编译后的管道会重新触发编译，这会很慢且效率低下。

### 动态形状编译

> [!TIP]
> 确保始终使用PyTorch的nightly版本以获得更好的支持。

`torch.compile`会跟踪输入形状和条件，如果这些不同，它会重新编译模型。例如，如果模型是在1024x1024分辨率的图像上编译的，而在不同分辨率的图像上使用，就会触发重新编译。

为避免重新编译，添加`dynamic=True`以尝试生成更动态的内核，避免条件变化时重新编译。

```diff
+ torch.fx.experimental._config.use_duck_shape = False
+ pipeline.unet = torch.compile(
    pipeline.unet, fullgraph=True, dynamic=True
)
```

指定`use_duck_shape=False`会指示编译器是否应使用相同的符号变量来表示相同大小的输入。更多详情请参阅此[评论](https://github.com/huggingface/diffusers/pull/11327#discussion_r2047659790)。

并非所有模型都能开箱即用地从动态编译中受益，可能需要更改。参考此[PR](https://github.com/huggingface/diffusers/pull/11297/)，它改进了[`AuraFlowPipeline`]的实现以受益于动态编译。

如果动态编译对Diffusers模型的效果不如预期，请随时提出问题。

### 区域编译

[区域编译](https://docs.pytorch.org/tutorials/recipes/regional_compilation.html)通过仅编译模型中*小而频繁重复的块*（通常是transformer层）来减少冷启动延迟，并为每个后续出现的块重用编译后的工件。对于许多diffusion架构，这提供了与全图编译相同的运行时加速，并将编译时间减少了8-10倍。

使用[`~ModelMixin.compile_repeated_blocks`]方法（一个包装`torch.compile`的辅助函数）在任何组件（如transformer模型）上，如下所示。

```py
# pip install -U diffusers
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0",
    torch_dtype=torch.float16,
).to("cuda")

# 仅编译UNet中重复的transformer层
pipeline.unet.compile_repeated_blocks(fullgraph=True)
```

要为新模型启用区域编译，请在模型类中添加一个`_repeated_blocks`属性，包含您想要编译的块的类名（作为字符串）。

```py
class MyUNet(ModelMixin):
    _repeated_blocks = ("Transformer2DModel",)  # ← 默认编译
```

> [!TIP]
> 更多区域编译示例，请参阅参考[PR](https://github.com/huggingface/diffusers/pull/11705)。

[Accelerate](https://huggingface.co/docs/accelerate/index)中还有一个[compile_regions](https://github.com/huggingface/accelerate/blob/273799c85d849a1954a4f2e65767216eb37fa089/src/accelerate/utils/other.py#L78)方法，可以自动选择模型中的候选块进行编译。其余图会单独编译。这对于快速实验很有用，因为您不需要设置哪些块要编译或调整编译标志。

```py
# pip install -U accelerate
import torch
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline
from accelerate.utils import compile regions

pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.float16
).to("cuda")
pipeline.unet = compile_regions(pipeline.unet, mode="reduce-overhead", fullgraph=True)
```

[`~ModelMixin.compile_repeated_blocks`]是故意显式的。在`_repeated_blocks`中列出要重复的块，辅助函数仅编译这些块。它提供了可预测的行为，并且只需一行代码即可轻松推理缓存重用。

### 图中断

在torch.compile中指定`fullgraph=True`非常重要，以确保底层模型中没有图中断。这使您可以充分利用torch.compile而不会降低性能。对于UNet和VAE，这会改变您访问返回变量的方式。

```diff
- latents = unet(
-   latents, timestep=timestep, encoder_hidden_states=prompt_embeds
-).sample

+ latents = unet(
+   latents, timestep=timestep, encoder_hidden_states=prompt_embeds, return_dict=False
+)[0]
```

### GPU同步

每次去噪器做出预测后，调度器的`step()`函数会被[调用](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/1d686bac8146037e97f3fd8c56e4063230f71751/src/diffusers/pipelines/stable_diffusion_xl/pipeline_stable_diffusion_xl.py#L1228)，并且`sigmas`变量会被[索引](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/1d686bac8146037e97f3fd8c56e4063230f71751/src/diffusers/schedulers/scheduling_euler_discrete.py#L476)。当放在GPU上时，这会引入延迟，因为CPU和GPU之间需要进行通信同步。当去噪器已经编译时，这一点会更加明显。

一般来说，`sigmas`应该[保持在CPU上](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/35a969d297cba69110d175ee79c59312b9f49e1e/src/diffusers/schedulers/scheduling_euler_discrete.py#L240)，以避免通信同步和延迟。

<Tip>

参阅[torch.compile和Diffusers：峰值性能实践指南](https://pytorch.org/blog/torch-compile-and-diffusers-a-hands-on-guide-to-peak-performance/)博客文章，了解如何为扩散模型最大化`torch.compile`的性能。

</Tip>

### 基准测试

参阅[diffusers/benchmarks](https://huggingface.co/datasets/diffusers/benchmarks)数据集，查看编译管道的推理延迟和内存使用数据。

[diffusers-torchao](https://github.com/sayakpaul/diffusers-torchao#benchmarking-results)仓库还包含Flux和CogVideoX编译版本的基准测试结果。

## 动态量化

[动态量化](https://pytorch.org/tutorials/recipes/recipes/dynamic_quantization.html)通过降低精度以加快数学运算来提高推理速度。这种特定类型的量化在运行时根据数据确定如何缩放激活，而不是使用固定的缩放因子。因此，缩放因子与数据更准确地匹配。

以下示例使用[torchao](../quantization/torchao)库对UNet和VAE应用[动态int8量化](https://pytorch.org/tutorials/recipes/recipes/dynamic_quantization.html)。

> [!TIP]
> 参阅我们的[torchao](../quantization/torchao)文档，了解更多关于如何使用Diffusers torchao集成的信息。

配置编译器标志以获得最大速度。

```py
import torch
from torchao import apply_dynamic_quant
from diffusers import StableDiffusionXLPipeline

torch._inductor.config.conv_1x1_as_mm = True
torch._inductor.config.coordinate_descent_tuning = True
torch._inductor.config.epilogue_fusion = False
torch._inductor.config.coordinate_descent_check_all_directions = True
torch._inductor.config.force_fuse_int_mm_with_mul = True
torch._inductor.config.use_mixed_mm = True
```

使用[dynamic_quant_filter_fn](https://github.com/huggingface/diffusion-fast/blob/0f169640b1db106fe6a479f78c1ed3bfaeba3386/utils/pipeline_utils.py#L16)过滤掉UNet和VAE中一些不会从动态量化中受益的线性层。

```py
pipeline = StableDiffusionXLPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0", torch_dtype=torch.bfloat16
).to("cuda")

apply_dynamic_quant(pipeline.unet, dynamic_quant_filter_fn)
apply_dynamic_quant(pipeline.vae, dynamic_quant_filter_fn)

prompt = "Astronaut in a jungle, cold color palette, muted colors, detailed, 8k"
pipeline(prompt, num_inference_steps=30).images[0]
```

## 融合投影矩阵

> [!WARNING]
> [fuse_qkv_projections](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/58431f102cf39c3c8a569f32d71b2ea8caa461e1/src/diffusers/pipelines/pipeline_utils.py#L2034)方法是实验性的，目前主要支持Stable Diffusion管道。参阅此[PR](https://github.com/huggingface/diffusers/pull/6179)了解如何为其他管道启用它。

在注意力块中，输入被投影到三个子空间，分别由投影矩阵Q、K和V表示。这些投影通常单独计算，但您可以水平组合这些矩阵为一个矩阵，并在单步中执行投影。这会增加输入投影的矩阵乘法大小，并提高量化的效果。

```py
pipeline.fuse_qkv_projections()
```

## 资源

- 阅读[Presenting Flux Fast: Making Flux go brrr on H100s](https://pytorch.org/blog/presenting-flux-fast-making-flux-go-brrr-on-h100s/)博客文章，了解如何结合所有这些优化与[TorchInductor](https://docs.pytorch.org/docs/stable/torch.compiler.html)和[AOTInductor](https://docs.pytorch.org/docs/stable/torch.compiler_aot_inductor.html)，使用[flux-fast](https://github.com/huggingface/flux-fast)的配方获得约2.5倍的加速。

    这些配方支持AMD硬件和[Flux.1 Kontext Dev](https://huggingface.co/black-forest-labs/FLUX.1-Kontext-dev)。
- 阅读[torch.compile和Diffusers：峰值性能实践指南](https://pytorch.org/blog/torch-compile-and-diffusers-a-hands-on-guide-to-peak-performance/)博客文章，了解如何在使用`torch.compile`时最大化性能。