面试-并行前缀和优化 Linear Attention

1 什么是前缀和?

定义: 第 k 个元素的状态依赖于第 k-1 个元素;

公式: 前缀和 = 从第 1 个,一直加到当前位置;

例子:

比如有 4 个数:
A、B、C、D;

那么前缀和的结果为:

txt 复制代码
S1 = A
S2 = A + B
S3 = A + B + C
S4 = A + B + C + D

在 Linear Attention 中有所体现,即,S2 依赖 S1,S3 依赖 S2,必须串行。

2 问题

如果串行计算的话,时间复杂度相当高;能不能将 O(n)的时间复杂度优化到O(1)呢?

3 并行前缀和加速

第一步:看这个下三角全 1 矩阵

txt 复制代码
1  0  0  0
1  1  0  0
1  1  1  0
1  1  1  1

第二步: 让它 乘以向量 A,B,C,D

结果就是:

txt 复制代码
第1行:1*A + 0*B + 0*C + 0*D = A       → S1
第2行:1*A + 1*B + 0*C + 0*D = A+B     → S2
第3行:1*A + 1*B + 1*C + 0*D = A+B+C   → S3
第4行:1*A + 1*B + 1*C + 1*D = A+B+C+D → S4

结果

✅ 一次性得到 S1、S2、S3、S4!

✅ 没有循环!没有等待!全部并行!

4 结论

并行前缀和的本质就是:

用下三角矩阵,模拟 "只累加前面所有值" 的效果,一次性输出所有结果。

对应到 Linear Attention 的 Chunk 加速中:

公式
St=eΔt⋅∑i=1t(eγi−Δi⋅ki⊤vi) S_t = e^{\Delta_t} \cdot \sum_{i=1}^t \left( e^{\gamma_i - \Delta_i} \cdot k_i^\top v_i \right) St=eΔt⋅i=1∑t(eγi−Δi⋅ki⊤vi)

里面每一项:

  • Δt\Delta_tΔt:可以用 cumsum 并行算
  • eΔte^{\Delta_t}eΔt、e−Δie^{-\Delta_i}e−Δi:并行指数
  • eγi−Δiki⊤vie^{\gamma_i - \Delta_i} k_i^\top v_ieγi−Δiki⊤vi:全部并行
  • ∑i=1t\sum_{i=1}^t∑i=1t:用 下三角矩阵(tril) 并行前缀和

后面这累加的一串就可以用并行前缀和。

对应代码:

python 复制代码
decay_mask = tril(...)  # 下三角矩阵
attn = k_beta @ k.T * decay_mask  # 并行前缀和

这一行 = 一次性算出所有 S_t,不需要循环!

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