docs: T14 flash-attention results + evolution/README rows
Fill in the design doc's measured results (grad-check, flash==composed, PyTorch parity, peak mem -16%/-23%, tok/s tradeoff), add the T14 row to evolution.md (算法/Infra) and the README build-journey table. Co-Authored-By: Claude Opus 4.8 <noreply@anthropic.com>
This commit is contained in:
@@ -50,9 +50,12 @@ Each phase: design doc + implementation + tests + a scoped commit (see [`docs/`]
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| **T11** | **device caching allocator** (fixes KI-5) | single-GPU 2.3×; **8-GPU 461K tok/s** |
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| **T12** | **bf16 mixed precision** (fp32 master, fixes KI-2) | dim768 OOM solved; −29% mem |
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| **T13** | **activation recompute** / checkpointing (fixes KI-3) | dim1024 fits; grads bit-identical |
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| **T14** | **fused flash-attention** kernel (online softmax, no materialized N×N; opt-in `--flash`) | peak mem −16%@1k / −23%@2k seq; flash==composed (grads/PyTorch) |
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The four performance fixes (T10–T13) each removed a real bottleneck — see
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[`docs/known-issues.md`](docs/known-issues.md).
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[`docs/known-issues.md`](docs/known-issues.md). **Phase 2 (systems-stack depth, T14–)**
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revisits hand-writing deferred training-stack features; T14 = the fused
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flash-attention kernel ([`docs/13-flash-attention.md`](docs/13-flash-attention.md)).
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## The scaling study — v0 → v8
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@@ -151,6 +151,33 @@ dash5 1× RTX 5090，同 config，nvidia-smi 峰值，flash off vs on：attentio
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同 config steady-state tok/s flash off vs on。预期：本规模 `hd=32` 下 flash kernel **持平或略慢于** cuBLAS 双
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GEMM（小头维喂不满 tensor-core 是 flash 的已知权衡，胜场在显存）——诚实报告，不为绿而调。
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## 实测结果（dash5，待 capture）
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## 实测结果（dash5 1× RTX 5090）
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<!-- dash5 实跑后回填：grad-check 数字、flash-vs-composed rel-err、PyTorch 对拍、显存 before/after、tok/s before/after -->
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**正确性（硬闸门全绿）：**
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| 闸门 | 结果 |
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| ① 新 kernel dQ/dK/dV finite-diff grad-check | **过** — dQ 9.3e-3 / dK 1.7e-2 / dV 5.6e-4（单 tile 干净区；多 tile 由②兜） |
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| flash fwd 对 composed | max rel **6.7e-5** |
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| flash bwd 对（已 grad-check 的）composed bwd | dQ **1.7e-5** / dK 1.2e-5 / dV 4.3e-5 |
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| ② flash==composed（model 级，logits/loss/每参数梯度） | fp32: loss rel **0.0**、logits 1.7e-4、grad 4.4e-5；bf16: loss 1.5e-4、logits mean 1.6e-3/p99 5.9e-3、grad scaled-mean 1.2e-2 |
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| ③ PyTorch SDPA 对拍 B>1（flash 路径，共用 composed oracle） | loss relerr **4.98e-8**、logits **7.92e-6**、25 参数 grad 全进 rtol 0.02 |
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| ⑤ 回归套（flag off 默认 + flash 路径都测）：autograd 18 / structural 5 / batched / bf16 / **flash 3** / overfit 27/27 / recompute 2 / AdamW(GPU+host) / GEMM / DDP 2 / checkpoint-roundtrip | **全绿** |
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| ⑤ xserv 闭环 md5（v3 ckpt 用 T14 代码重导 safetensors） | **逐位一致** `b04fc9f9a0c9af04c47d9ca649aea12e`（与 registry 同）→ 默认 export 零漂移 |
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| ⑤ xserv 闭环（flash 训练 → 导出 → xserv 服务贪心） | flash-训出 coherent TinyStories；xserv(BF16) 对 xtrain(F32) 贪心：3 prompt 中 "One day" 逐 token 一致，其余在 ~0.5% BF16 漂移处晚分叉（与 v1/v2/v3 同款） |
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> **finite-diff 的诚实记录**：长 softmax（seq>tile）会产生大量近零梯度元素，中心差分在那些元素上不可靠（出现伪 0.0 / 符号翻转——不是 backward bug）。故 ① 的 finite-diff 跑**单 tile 干净区**（seq=5，对齐既有 composed grad-check 的良态区），**多 tile 的 streaming/online 路径**用「flash bwd 对已 grad-check 的 composed bwd」（seq=40，dQ 1.7e-5）兜——比 finite-diff 更利。dQ/dK 用 eps=2e-3 压低 f32 舍入项（~4e-4 小梯度上舍入项压过截断项）。**没有为凑绿放宽容差**。
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**④ 显存 + 吞吐（payoff vs tradeoff，dim768=8L/12h×64/ffn3072, bf16, steady-state）：**
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| config | path | 峰值显存 | tok/s |
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| batch8 seq1024 | composed (off) | 24670 MiB | **58.6K** |
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| batch8 seq1024 | **flash (on)** | **20736 MiB（−16%）** | 25.0K（−57%, ~2.3× 慢） |
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| batch2 seq2048 | composed (off) | 17264 MiB | 36.7K |
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| batch2 seq2048 | **flash (on)** | **13246 MiB（−23%）** | 13.2K（−64%） |
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→ **显存按预期降**（不物化 `[bh,S,S]`），且**收益随 seq 增长**（seq1024 −16% → seq2048 −23%，O(S²) 砍掉）。
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**tok/s 如设计 ① 预测的「持平或略慢」实为 ~2.3–2.8× 慢**：hd=64 的小头维下，手写「一行一 block + 串行扫 KV」kernel 喂不满 SM，干不过 cuBLAS tensor-core 的两发批量 GEMM——这正是 flash 的已知权衡（**胜场在显存，不是小模型 wall-clock**），诚实报告不掩饰。两个落地的优化（softmax 权重缓存进 shared 省 hd× 的 expf；dK/dV 原子加摊到全 block 而非串行在列 owner 内）把 backward 从 6.8× 慢拉到 2.3× 慢——主瓶颈是 backward 的跨行原子累加（FA2 用 K-block 拥有 dK/dV 的独立 pass 解，本版未做，留 follow-up）。
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> **escape hatch（follow-up，未做，记给后续）**：① FA2 式 query-tile 划分（一 block 多 query 行，K/V 进 shared 复用）提 SM 占用；② backward 的 dK/dV 改 K-block-owned 独立 pass 消跨行原子；③ 纯 bf16 in-kernel（省两次 cast）。本规模 attention 非训练瓶颈、且会动数值贴合闸门，按 escape hatch 推迟——T14 先把**正确性 + 不物化 N×N + 显存↓**钉死。
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@@ -24,6 +24,7 @@
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| T11 | Infra | **device caching/pool allocator**（复用 op 输出显存，消 per-step cudaMalloc） | 单卡 2.3×；**8卡 461K tok/s** 近线性（修 KI-5） |
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| T12 | 算法/Infra | **bf16 混合精度**（fp32 master，cuBLAS GemmEx，norm/softmax/CE 保 fp32） | dim768 OOM 解除，−29% 显存/+13% tok/s（修 KI-2） |
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| T13 | 算法/Infra | **激活重计算**（per-block gradient checkpointing：前向 no-tape + 反向重算，`backward_seeded`） | 梯度对非重计算版**逐位一致**(0.00)；dim768 31.1→14.6GB；**dim1024 batch32 OOM→16.6GB 装下**（修 KI-3，解锁 v8） |
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| T14 | 算法/Infra | **融合 flash-attention kernel**（手写单 kernel：online softmax、tiled over KV、**不物化 N×N scores**；flash 式 bwd：重算 scores + `D=ΣdO·O` 化简雅可比 + dQ/dK/dV）；opt-in `--flash`，默认保 composed（Phase 2） | fwd 对 composed 6.7e-5、bwd 对 composed dQ 1.7e-5、PyTorch B>1 7.9e-6、flash==composed loss rel 0.0；**峰值显存 −16%@seq1024 / −23%@seq2048**（不物化 N×N，收益随 seq 增长）；tok/s ~2.3–2.8× 慢（hd=64 小头维干不过 cuBLAS tensor-core，flash 已知权衡=胜场在显存）；md5 闭环逐位一致 |
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@@ -49,9 +50,9 @@
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## 三、各维度的累积演进（轴向看一条线怎么走的）
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- **算法**：手写 autograd(tape)+扇出累加 → AdamW/LR-sched/grad-clip → +QK-norm(Qwen3) → batched forward → bf16 混合精度(fp32 master) → 激活重计算(T13)。
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- **算法**：手写 autograd(tape)+扇出累加 → AdamW/LR-sched/grad-clip → +QK-norm(Qwen3) → batched forward → bf16 混合精度(fp32 master) → 激活重计算(T13) → 融合 flash-attention(T14，online softmax + flash 式 bwd)。
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- **模型架构**：固定 Qwen3-style；dim **32→256→384→512→768→1024**（v8 首拨容量轴，头数 24→32）；核心参数 **41K→226M**（总 3.26M→329M）。
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- **Infra**：单卡 fp32 → cuBLAS/GPU-optim(T7) → NCCL DDP(T8) → batched forward(T10) → caching allocator(T11) → bf16(T12) → 激活重计算(T13，解锁 dim1024)。吞吐 **3.3K→217K tok/s**（dim768 bf16），dim1024+重算 ~129K（重算税）；MFU **0.4%→17%**（每次提升都对应一块 perf 基建，详见 known-issues + MFU 分析）。
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- **Infra**：单卡 fp32 → cuBLAS/GPU-optim(T7) → NCCL DDP(T8) → batched forward(T10) → caching allocator(T11) → bf16(T12) → 激活重计算(T13，解锁 dim1024) → flash-attention(T14，不物化 N×N，attention 显存收益随 seq 增长)。吞吐 **3.3K→217K tok/s**（dim768 bf16），dim1024+重算 ~129K（重算税）；MFU **0.4%→17%**（每次提升都对应一块 perf 基建，详见 known-issues + MFU 分析）。
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- **数据集**：TinyStories 3MB 切片 → 全量 TinyStories（epoch 0.01→5.33，**至饱和**）→ **v6 毕业到 FineWeb-edu 真实网页**（2.255B 语料，1.02ep）→ **v7 同子集多 epoch（1.45ep，近顶）→ v8 同子集换大模型**（dim1024，1.05ep）。tokenizer 全程 gpt2 BPE（复用 xserv-tokenizer；v6 刻意不换 tokenizer 以隔离「数据来源」变量，KI-4 留后续版本）。
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- **v5→v6 数据轴的质变**：v0–v5 都吃合成幼儿故事（TinyStories，低熵、词汇受控），v5 证明同尺寸模型在它上面已饱和；v6 第一版换成**真实教育类网页文本**（FineWeb-edu），语言种类发生质变——采样从「只会写小故事」变成「能写历史/科学/说明文」。
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- ⚠️ **同子集多 epoch 也有天花板（v6→v7）**：v6 的 FineWeb val 才训 1.02ep、末步仍单调降，曾被读作「还没喂够」；v7 把**同一 2.255B 子集**喂到 1.45ep（多 ~1B token），FineWeb val 仅 ↓0.05（3.07→3.01）且 ~step44000 后走平、采样无质变 ⇒ **该子集在 dim768 已近天花板**。这与 v5 的 TinyStories 数据量饱和是**同一类现象**：**「重复喂老数据」边际都薄，无论是 v5 的同语料多 epoch 还是 v7 的同子集多 epoch**。真正抬天花板的是 v6「换更广的新语料」那一步——**杠杆在「更多样的新 token」，不在「同数据多读几遍」**。后续要继续降 val，必须补**新 FineWeb shards**（更多样、不重复），不是同子集加 epoch。
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