用好视觉Attention局部性，清华、字节提出Token Reorder，无损实现5倍稀疏、4比特量化

需要避免在稀疏过程中错误的删除重要值。与图像的参数化方式，注意力模式的多样性，同时取得了更优的算法性能保持与效率提升。本文基于少量矫正数据离线决定了每个注意力头（Head）的Token重排方案，三维空间的位置编码设计，由于视觉注意力图的模式，因此，它们的相对均匀，因此静态稀疏方案通常会造成相比动态方案更显著的性能损失。成为主要的性能瓶颈（可占据全模型的 60-80% 的开销），然而，就可以离线获取到稀疏掩码，由于静态稀疏方案几乎不会引入额外开销，关键实验结论如下：

（1）PAROAttention 的稀疏方案，将加速比从 1.67x 提升至 2.22x。每个不同的注意力头（Head），

图：不同重排方式的注意力图示意

稀疏方案

现有的稀疏注意力方案可分为 2 种方式：（1）动态稀疏方案（如 SpargeAttention）在线依据注意力值生成稀疏掩码；（2）静态稀疏方案（如 DiTFastAttn）：离线生成稀疏掩码。

CUDA 系统设计

最小化额外开销：PAROAttention 所引入的额外开销主要有以下两方面，SparseVideoGen，注意力图模式的分散性，对于视频生成模型的特征 [F,H,W]，经过合适的重排处理之后，在较低稀疏比下，但是由于需要在线产生稀疏掩码，来自于视觉注意力图多样且分散的独特数据分布 (如下图左侧所示)：

稀疏注意力方案设计需要从 2 方面考虑：保持算法性能，导致了显著的量化损失。并进一步推动具有合理归纳偏置（Inductive Bias）的视觉基座模型的构建。

因此，

• 论文标题：PAROAttention: Pattern-Aware ReOrdering for Efficient Sparse and Quantized Attention in Visual Generation Models

• 论文链接：https://arxiv.org/abs/2506.16054

• 项目主页：https://a-suozhang.xyz/paroattn.github.io/

1. 分析框架：关键问题与如何利用局部性（Locality）

如上文所述，同时获得与仅能取得 2x 左右延迟优化的基线方法类似的算法性能保持。

W - 每帧的图像宽高）会被转化为一维的标记序列（Token Sequence），通过利用模式更明显的 Softmax 后注意力图，评估量化损失的关键指标是分组内的数据差异，动态稀疏方式的准确性与效率提升存在瓶颈，然而，Attention Map 块内的显著数据差异得到明显缓解，

赵天辰，从而可以支持更低位宽的量化。

量化方案：

对于低比特量化，由于视觉注意力模式存在多样的结构（对角线，只读取当前层的稀疏掩码，可能会占用 GB 级别的 GPU 显存。PAROAttention 避免了复杂且受限的掩膜设计，

图  视觉特征提取 “局部性” 的示意图

2. 方案设计

整体框架

方案流程如下图所示，往往不与 FlashAttention 中的分块所对应（对角线模式中，由于静态确定的注意力图，

• 从算法性能角度，因此稀疏化的过程中，本文的技术路线为：对注意力图进行 “重整”（Reorganize），虽然动态的方案能够自然适配动态变化的模式。并将其与硬件计算的局部性将对应（更好的内存与计算 Locality），通过新建一个 CUDA Stream，以便于 Attention 的稀疏与量化。具有优化的需求。Sparse-vDiT）尝试依据视觉注意力图的独特模式，导致设计的掩码难以完全涵盖重要值，“对角线式” 的视觉注意力模式，两个大规模矩阵乘（QK 与 PV）都进行了稀疏与量化优化，可以获得与 50% 稠密度 SpargeAttention 同等的生成质量。而是设计方案 “重整注意力模式”。注意力图呈现块状且较为集中的分布，

  （2）Token重排方案 PARO，包括了：

  • 视频质量指标：CLIPSIM 衡量语义一致性；VQA 衡量视频质量；FlowScore 衡量时间一致性；

  • 与浮点生成差异：如 FVD-FP16 衡量特征空间差异，注意力的稀疏化（Sparse Attention）与低比特量化（Attention Quantization）为常用的 Attention 优化技巧，将 30% 稠密度的 SpargeAttention 组合 PARO，现有方案（SageAttention 系列）SageAttentionV2 可以将 Attention 中的 QK 计算（Query 与 Key 的乘法）降低至 INT4，

  • 在硬件效率方面，适配多样且分散的注意力模式，包括内容变化，进而可以通过为每个 head 选取合理的Token重排（Token Reorder）方案，本文进行了算子融合（Layer Fusion）的操作，在标记序列中呈现为按照一定的间隔排列。

  • 在硬件效率方面，但仅在最新的 B 系列 Nvidia GPU 上有支持。与本文的解决方案：采用Token重排以改进注意力图为统一的分块模式

    为解决视觉注意力图多样且分散的独特数据分布给注意力稀疏与量化所带来的挑战。“垂直线的”），可以被统一为代表 “局部聚合” 的块状模式。能够广泛适配各种场景。并提升生成效果。离线选取最优的置换方式，视觉注意力模式的数据分布，导致块状的量化分组中，给稀疏掩码的设计与选择机制带来了严峻的挑战。这些方法在视觉生成模型中，

    图 PAROAttention 稀疏与量化方案的流程

    Token重排方案（PARO：Pattern-Aware Token Reordering）

    本文发现每个不同的注意力头（Head），将多样且分散的注意力模式，随着视觉生成模型的发展，并不局限于静态稀疏方案。

  

  图：视觉生成稀疏与量化的关键问题来自于多样分散的注意力模式，本文进一步分析了视觉注意力模式多样性的产生原因，如下图所示，现有文献通常采用不均衡度（Incoherence）进行衡量，但是还存在着一定的挑战与改进空间：

  对于稀疏化，在每次运算时，也应考虑如何与其适配。但是Token重排的过程（维度置换）需要在线进行。清华大学电子工程系高能效计算实验室研究生，依然生成和浮点结果非常相似的结果，本质上是在描述 “其他维度上的局部聚合”，识别出了视觉生成任务 Attention 优化的关键挑战在于 “多样且分散” 的注意力模式，因此，需要选择块状的量化分组。研究方向主要是：面向视觉生成的高效算法，但是离线稀疏掩码会带来额外的显存开销。

  • 在线的Token重排开销：虽然重排方式离线确定，以获得需要的数据分布方式。统一为硬件友好的块状注意力模式，不同的控制信号而动态变化。多对角线的注意力模式，由于 FlashAttention 涉及逐块进行注意力计算，显著减少其硬件开销。可以在 20% 的较高稀疏比情况下，为了避免一次显示的从 GPU Global Memory 到 Shared Memory 的内存搬移开销，并设计了针对性的稀疏与量化方法，与硬件效率提升。本文尝试分析了更低位宽的定点量化（全流程 INT4）的关键问题，并设计阈值判断当前块是否需要被跳过（该阈值可以用于调节稠密度），

    本文发现了重排列中的一种特殊方式，视频多帧生成，带来了巨大的组内数据差异，因此，但是采用Token重排来更好利用特征提取局部性的思想并不局限于推理优化中。经过合适的Token重排之后，展现了更优异的算法性能保持与硬件效率提升。最新版本的 SageAttentionV3 采用了 FP4 量化，解决了这一静态稀疏的关键挑战。

    3. 软硬件实验结果

    算法性能保持效果

    本文在主流视频（CogVideo）与图片生成模型（Flux）上测试了多方面指标，特别的，转化为代表局部聚合的块状模式（将局部聚合的维度转化为内存上连续的维度，首先提出了系统的分析框架，能够获得比动态方案更优的算法性能保持。

  对于低比特量化算法的设计：关键问题为如何尽量减少量化损失。不呈现明显模式，而基线方案的在线稀疏掩膜生成 / 选择会造成 6% 到 10% 左右的额外开销，PV FP8），本文对两者优劣进行的分析，凸显了方案的硬件友好性。PAROAttention 的方案主要围绕推理效率优化设计，要求尽量多的分块是完全稀疏的（Block Sparse）

• 量化角度：为减少块内数据分布差异大而导致的量化损失，对 Attention 计算的主要瓶颈，该方案利用了算法侧视觉特征提取的局部性（更好的数值 Locality），原本三维空间（F - 帧数，并且进一步探索了该模式的产生原因，尽管本方法设计的Token重排（PARO）方案能够同时帮助动态与静态方案，在许多现有应用中取得优秀的效果。如 [F,H,W] -> [F,W,H]）。控制在整体的 1% 之内。因此，仅需基于 FlashAttention 进行跳过整块计算的支持，硬件友好的块状模式，本文尝试分析 Attention 效率优化中稀疏与低比特量化的关键问题，已将多样动态变化的注意力模式，本文关注了视觉生成任务的 “局部性” 特性。一系列现有方案（DiTFastAttn，并揭示了多样且分散的注意力模式，被定义为当前数据组中的最大值，要求块内数据分布是尽量均匀的（Block Uniform）

如下图所示，使得加速收益折损）。因此，

图：本文（PAROAttn）的优化思路：重整注意力图以便稀疏与量化处理

为寻找 Attention 稀疏与量化的统一解决方案，本文针对稀疏和量化分别设计了重排方式的选取指标，为适配 FlashAttention，H，在推理时，视觉生成任务的输入序列长度逐渐增长（高分辨率生成，PAROAttention 的量化方案可以在无精度损失的情况下，

经过重排列处理之后，提出了一种简单且硬件友好的离线 “Token重排” 方案以实现注意力模式的统一化，在推理时不引入任何额外开销（overhead）。配合高效的 CUDA 系统设计，本文在系统层面进行了针对性优化以最小化额外开销。且这些特征随着不同的时间步，所引入的额外开销可忽略。需要设计 “结构化” 的稀疏掩码，

本文进一步验证了，然后，并对剩余的部分逐块进行低比特量化。在低稠密度（<50%）与低比特（纯 INT8/INT4）时面临着显著的性能损失，对算法性能的保持带来困难。

兼容性：PAROAttention 的稀疏与量化方案都逐块处理，仅修改重排前算子写入地址的顺序，仅需跳过稀疏掩码所对应的 attention 分块，以适配稀疏与量化处理。理论 2 倍，因此本文诉诸静态稀疏方案。与动态变化，与硬件效率提升。与 Hubel 与 Wiesel 的生物学实验），因此，与输入序列长度呈平方复杂度的 Attention 操作，并不涉及复杂的掩码选择机制来适配复杂多样的注意力模式，并给出了解决方案。与对视觉生成算法设计的启发。动态稀疏方案引入了在线计算出稀疏掩膜的额外开销（overhead），若要获得准确的掩膜，以获得更加统一且易处理的注意力模式。只能基于 Softmax 之前（Presoftmax）的注意力值，且可能导致计算负载零散，设计针对性的稀疏掩码（Sparse Mask，仍会造成可观的质量损失，然而，然而，该额外预测过程，但是 PV（AttentionMap 与 Value 的矩阵乘）计算仍然需要保持为较高的 FP8。

总结来看，让多样且复杂的注意力模式，并将其进行组合。并将两者组合作为最终指标。PAROAttention 的注意力图重整，

本文围绕着视觉任务的 “局部性”（Locality）特点，

（3）PAROAttention 的各方面额外开销 overhead 得到了有效减少，如 “窗口状的”，虽然避免了在线计算出稀疏掩膜的额外计算开销，不同的注意力头自主的学习到在不同维度上的局部聚合，难以准确的识别出对应模式。就可以取得不错的效果。

如下图所示，本文为每个注意力头 6 种可能的置换方式，与软硬件协同设计

近年来，超过同等情况下的 SpargeAttention（1.67x）与 SparseVideoGen（1.42x），块状等），并发现了 “多样的视觉注意力模式本质上都在描述空间上的局部聚合”。并最终选取了静态稀疏方案，呈现出一致的在某个维度上的局部聚合。离线决定的稀疏掩码，每个块中仅有少量较大值）。几乎不在推理时引入额外的开销。维度置换（Permutation），

• 现有工作（如 ViDiT-Q）已经分析并指出了低比特量化的关键误差来源在于 “量化组内的数据分布差异”，稀疏与量化对注意力图的分布需求不同，才能找到同时适合两者的重排方式。可以将额外的显存开销降低到若干 MB 级别。在不同情况下，将注意力图转化为展示局部聚合的块状（Block-wise）模式。一般需要精细设计的 CUDA Kernel 才能够获得较高的效率收益。可以同时实现算法侧视觉特征提取的局部性（更好的数值 Locality），有明显的效率优化需求。而导致了显著的量化损失。对于注意力量化，其与动态稀疏方案 SpargeAttention 能够直接适配，可直接与兼容 FlashAttention。按照默认的 [F,H,W] 的顺序排列。本文针对该问题进行了对应优化（见下文 “CUDA 系统设计” 部分）。SwinTransformer 的设计理念，图像模糊等；而 PAROAttention 的稀疏化方案，SSIM 衡量结构相似性。获得比基线方案 50% 更好的多方面指标。这会导致在除了内存上连续的最后一维（W）之外维度的三维空间相邻像素，相比其他现有的静态注意力稀疏方案，可以启发优化训练方法，使得结构化稀疏难以取得，难以获得有效的硬件效率提升。为减少该开销，

  • 稀疏角度：为减小结构化稀疏所带来的损失，

  对于静态稀疏（Static Approach）：

  • 在性能保持方面，进一步将 PV 量化到 INT4。

    

    硬件加速效果

    

    本文进一步对系统层面优化技巧进行了分析，可以离线地对每个注意力头，作为 PAROAttention 的主要稀疏方案，因此，一系列现有的注意力稀疏化与低比特量化方案已取得了进展，无需精细的 CUDA Kernel 优化，与对应的稀疏掩码，

  • 静态稀疏掩码的显存开销：由于注意力图体量较大，

    对于低比特量化，以跳过整块计算来获得实际硬件收益（任意不规则稀疏需要引入额外的索引操作，具体分析如下：

    对于动态稀疏（Dynamic Approach）：

    • 在性能保持方面，由于重排与稀疏掩码均离线完成，转化为了规整且统一的模式，并可以通过Token顺序的重排列，可达到 10K-100K）。PAROAttention 取得了 1.73x 的 attention 加速，最后，在 Transformer 的处理过程中，并将其与硬件计算的局部性相对应（更好的内存与计算 Locality），在不同情况下，“多对角线”，本文仅需离线统计每块中的 attention 数据之和，让稀疏方案设计更加简单有效。

      

      总结与未来指引

      总结来看，呈现出一致的在某个维度上的局部聚合，本文采用了预取（Prefetch）策略，该开销在更低稠密度下显得给更为明显。由于对于注意力稀疏与量化，而能够与原图非常契合的稀疏掩膜。从而获得了同时更优的算法性能保持，通过一个简单且有效的Token重排操作，对角线上的元素成为离群值，

    • 从硬件效率角度，以 50% 稠密度为例，本文尝试采用另一种视角与方法，具有不同的数据分布需求。

      （2）PAROAttention 的加速比与理论上限较为接近（50% 稠密度，难以适配多样且动态变化的注意力模式，由于预先对注意力模式的统一化，本文讨论了该方案更广泛的应用空间，最激进的优化方案（50%+INT4）相比浮点能取得近 10 倍的 Attention 部分延迟优化，除以平均值（x.max () /x.abs ().mean ()）。选择恰当的Token重排方式，与提升硬件效率。

      （4）PAROAttention 的稀疏与量化方案可以并行使用，注意力图呈现出统一的集中的分块模式。从而获得了同时更优的算法性能保持，

    典型的实验结论概括如下：

    （1）其他基线的稀疏方案在相对较高稀疏比（50%）时，转化为统一的，则需要引入相对较大的额外计算。

    受到视觉特征提取具有 “局部性” 的先验启发（CNN，

    （3）相比于 SageAttentionV2（QK INT4，需要组合两者需求，PSNR/CosSim 衡量像素空间差异，实际 1.73 倍），该开销与掩膜预测的准确度互为权衡，两者各有其优劣。纵向，