ZeroGPU Spaces 加速实践：PyTorch 提前编译全解析

发布于：2025-09-07 ⋅ 阅读:(17) ⋅ 点赞:(0)

ZeroGPU 让任何人都能在 Hugging Face Spaces 中使用强大的 Nvidia H200 硬件，而不需要因为空闲流量而长期占用 GPU。  它高效、灵活，非常适合演示，不过需要注意的是，ZeroGPU 并不能在所有场景下完全发挥 GPU 与 CUDA 栈的全部潜能，比如生成图像或视频可能需要相当多的时间。在这种情况下，充分利用 H200 硬件，使其发挥极致性能就显得尤为重要。

这就是 PyTorch 提前编译（AoT）的用武之地。与其在运行时动态编译模型（这和 ZeroGPU 短生命周期的进程配合得并不好），提前编译允许你一次优化、随时快速加载。

结果：演示 Demo 更流畅、体验更顺滑，在 Flux、Wan 和 LTX 等模型上有 1.3×–1.8× 的提速 🔥

在这篇文章中，我们将展示如何在 ZeroGPU Spaces 中接入提前编译（AoT）。我们会探索一些高级技巧，如 FP8 量化和动态形状，并分享你可以立即尝试的可运行演示。如果你想尽快尝试，可以先去 zerogpu-aoti （https://huggingface.co/zerogpu-aoti） 中体验一些基于 ZeroGPU 的 Demo 演示。

[!TIP]
Pro 用户和 Team / Enterprise 组织成员可以创建 ZeroGPU Spaces，而任何人都可以免费使用（Pro、Team 和 Enterprise 用户将获得 8 倍 的 ZeroGPU 配额）

目录

  • 什么是 ZeroGPU

  • PyTorch 编译

  • ZeroGPU 上的提前编译

  • 注意事项

    • 量化

    • 动态形状

    • 多重编译 / 权重共享

    • FlashAttention-3

  • AoT 编译的 ZeroGPU Spaces 演示

  • 结论

  • 资源

什么是 ZeroGPU

Spaces 是一个由 Hugging Face 提供的平台，让机器学习从业者可以轻松发布演示应用。典型的 Spaces 演示应用看起来像这样：

import gradio as gr
from diffusers import DiffusionPipeline

pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(...).to('cuda')

def generate(prompt):
    return pipe(prompt).images

gr.Interface(generate, "text", "gallery").launch()

这样做虽可行，却导致 GPU 在 Space 的整个运行期间被独占，即使是在没有用户访问的情况下。

当执行这一行中的 .to('cuda') 时：

pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(...).to('cuda')

PyTorch 在初始化时会加载 NVIDIA 驱动，使进程始终驻留在 CUDA 上。由于应用流量并非持续稳定，而是高度稀疏且呈现突发性，这种方式的资源利用效率并不高。

ZeroGPU 采用了一种即时初始化 GPU 的方式。它不会在主进程中直接配置 CUDA，而是自动 fork 一个子进程，在其中配置 CUDA、运行 GPU 任务，并在需要释放 GPU 时终止这个子进程。

这意味着：

  • 当应用没有流量时，它不会占用任何 GPU

  • 当应用真正执行任务时，它会使用一个 GPU

  • 当需要并发执行任务时，它可以使用多个 GPU

借助 Python 的 spaces 包，实现这种行为只需要如下代码改动：

import gradio as gr
+ import spaces
  from diffusers import DiffusionPipeline

  pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(...).to('cuda')

+ @spaces.GPU
  def generate(prompt):
      return pipe(prompt).images

  gr.Interface(generate, "text", "gallery").launch()

通过引入 spaces 并添加 @spaces.GPU 装饰器 (decorator)，我们可以做到：

  • 拦截 PyTorch API 调用，以延迟 CUDA 操作

  • 让被装饰的函数在 fork 出来的子进程中运行

  • （调用内部 API，使正确的设备对子进程可见 —— 这不在本文范围内）

[!NOTE]
ZeroGPU 当前会分配 H200 的一个 MIG 切片（https://docs.nvidia.com/datacenter/tesla/mig-user-guide/#h200-mig-profiles 3g.71gb 配置）。更多的 MIG 配置（包括完整切片 7g.141gb）预计将在 2025 年底推出。

PyTorch 编译

在现代机器学习框架（如 PyTorch 和 JAX）中，“编译”已经成为一个重要概念，它能够有效优化模型的延迟和推理性能。其背后通常会执行一系列与硬件相关的优化步骤，例如算子融合、常量折叠等，以提升整体运行效率。

从 PyTorch 2.0 开始，目前有两种主要的编译接口：

  • 即时编译（Just-in-time）：torch.compile

  • 提前编译（Ahead-of-time）：torch.export + AOTInductor

torch.compile 在标准环境中表现很好：它会在模型第一次运行时进行编译，并在后续调用中复用优化后的版本。

然而，在 ZeroGPU 上，由于几乎每次执行 GPU 任务时进程都是新启动的，这意味着 torch.compile 无法高效复用编译结果，因此只能依赖文件系统缓存来恢复编译模型。根据模型的不同，这个过程可能需要几十秒到几分钟，对于 Spaces 中的实际 GPU 任务来说，这显然太慢了。这正是 提前编译（AoT） 大显身手的地方。通过提前编译，我们可以在一开始导出已编译的模型，将其保存，然后在任意进程中即时加载。这不仅能减少框架的额外开销，还能消除即时编译通常带来的冷启动延迟。

但是，我们该如何在 ZeroGPU 上实现提前编译呢？让我们继续深入探讨。

ZeroGPU 上的提前编译

让我们回到 ZeroGPU 的基础示例，来逐步解析启用 AoT 编译所需要的内容。在本次演示中，我们将使用 black-forest-labs/FLUX.1-dev 模型：

import gradio as gr
import spaces
import torch
from diffusers import DiffusionPipeline

MODEL_ID = 'black-forest-labs/FLUX.1-dev'

pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(MODEL_ID, torch_dtype=torch.bfloat16)
pipe.to('cuda')

@spaces.GPU
def generate(prompt):
    return pipe(prompt).images

gr.Interface(generate, "text", "gallery").launch()

[!NOTE]
在下面的讨论中，我们只编译 pipe 的 transformer 组件。
因为在这类生成模型中，transformer（或者更广义上说，denoiser）是计算量最重的部分。

使用 PyTorch 对模型进行提前编译通常包含以下几个步骤：

1. 获取示例输入

请记住，我们要对模型进行 提前 编译。因此，我们需要为模型准备示例输入。这些输入应当与实际运行过程中所期望的输入类型保持一致。

为了捕获这些输入，我们将使用 spaces 包中的 spaces.aoti_capture 辅助函数：

with spaces.aoti_capture(pipe.transformer) as call:
    pipe("arbitrary example prompt")

当 aoti_capture 作为上下文管理器使用时，它会拦截对任意可调用对象的调用（在这里是 pipe.transformer），阻止其实际执行，捕获本应传递给它的输入参数，并将这些值存储在 call.args 和 call.kwargs 中。

2. 导出模型

既然我们已经得到了 transformer 组件的示例参数（args 和 kwargs），我们就可以使用 torch.export.export 工具将其导出为一个 PyTorch ExportedProgram：

exported_transformer = torch.export.export(
    pipe.transformer,
    args=call.args,
    kwargs=call.kwargs,
)

3. 编译导出的模型

一旦模型被导出，编译它就非常直接了。

在 PyTorch 中，传统的提前编译通常需要将模型保存到磁盘，以便后续重新加载。 在我们的场景中，可以利用 spaces 包中的一个辅助函数：spaces.aoti_compile。
它是对 torch._inductor.aot_compile 的一个轻量封装，能够根据需要管理模型的保存和延迟加载。其使用方式如下：

compiled_transformer = spaces.aoti_compile(exported_transformer)

这个 compiled_transformer 现在是一个已经完成提前编译的二进制，可以直接用于推理。

4. 在流水线中使用已编译模型

现在我们需要将已编译好的 transformer 绑定到原始流水线中，也就是 pipeline。  接下来，我们需要将编译后的 transformer 绑定到原始的 pipeline 中。 一个看似简单的做法是直接修改：pipe.transformer = compiled_transformer。但这样会导致问题，因为这种方式会丢失一些关键属性，比如 dtype、config 等。  如果只替换 forward 方法也不理想，因为原始模型参数依然会常驻内存，往往会在运行时引发 OOM（内存溢出）错误。

因此spaces 包为此提供了一个工具 —— spaces.aoti_apply：

spaces.aoti_apply(compiled_transformer, pipe.transformer)

这样以来，它会自动将 pipe.transformer.forward 替换为我们编译后的模型，同时清理旧的模型参数以释放内存。

5. 整合所有步骤

要完成前面三个步骤（拦截输入示例、导出模型，以及用 PyTorch inductor 编译），我们需要一块真实的 GPU。 在 @spaces.GPU 函数之外得到的 CUDA 仿真环境是不够的，因为编译过程高度依赖硬件，例如需要依靠微基准测试来调优生成的代码。这就是为什么我们需要把所有步骤都封装在一个 @spaces.GPU 函数中，然后再将编译好的模型传回应用的根作用域。 从原始的演示代码开始，我们可以得到如下实现：

import gradio as gr
  import spaces
  import torch
  from diffusers import DiffusionPipeline

  MODEL_ID = 'black-forest-labs/FLUX.1-dev'

  pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(MODEL_ID, torch_dtype=torch.bfloat16)
  pipe.to('cuda')

+ @spaces.GPU(duration=1500) # 启动期间允许的最大执行时长
+ def compile_transformer():
+     with spaces.aoti_capture(pipe.transformer) as call:
+         pipe("arbitrary example prompt")
+ 
+     exported = torch.export.export(
+         pipe.transformer,
+         args=call.args,
+         kwargs=call.kwargs,
+     )
+     return spaces.aoti_compile(exported)
+ 
+ compiled_transformer = compile_transformer()
+ spaces.aoti_apply(compiled_transformer, pipe.transformer)

  @spaces.GPU
  def generate(prompt):
      return pipe(prompt).images

  gr.Interface(generate, "text", "gallery").launch()

只需增加十几行代码，我们就成功让演示运行得更快（在 FLUX.1-dev 的情况下提升了 1.7 倍）。

如果你想进一步了解提前编译，可以阅读 PyTorch 的 AOTInductor 教程。

注意事项

现在我们已经展示了在 ZeroGPU 条件下可以实现的加速效果，接下来将讨论在这一设置中需要注意的一些问题。

量化（Quantization）

提前编译可以与量化结合，从而实现更大的加速效果。对于图像和视频生成任务，FP8 的训练后动态量化方案提供了良好的速度与质量平衡。不过需要注意，FP8 至少需要 9.0 的 CUDA 计算能力才能使用。
幸运的是，ZeroGPU 基于 H200，因此我们已经能够利用 FP8 量化方案。  要在提前编译工作流中启用 FP8 量化，我们可以使用 torchao 提供的 API，如下所示：

+ from torchao.quantization import quantize_, Float8DynamicActivationFloat8WeightConfig

+ # 在导出步骤之前对 transformer 进行量化
+ quantize_(pipe.transformer, Float8DynamicActivationFloat8WeightConfig())

exported_transformer = torch.export.export(
    pipe.transformer,
    args=call.args,
    kwargs=call.kwargs,
)

接着，我们就可以按照上面描述的步骤继续进行。使用量化可以再带来 1.2 倍 的加速。

动态形状（Dynamic shapes）

图像和视频可能具有不同的形状和尺寸。因此，在执行提前编译时，考虑形状的动态性也非常重要。torch.export.export 提供的原语让我们能够很容易地配置哪些输入需要被视为动态形状，如下所示。

以 Flux.1-Dev 的 transformer 为例，不同图像分辨率的变化会影响其 forward 方法中的两个参数：

  • hidden_states：带噪声的输入潜变量，transformer 需要对其去噪。它是一个三维张量，表示 batch_size, flattened_latent_dim, embed_dim。当 batch size 固定时，随着图像分辨率变化，flattened_latent_dim 也会变化。

  • img_ids：一个二维数组，包含编码后的像素坐标，形状为 height * width, 3。在这种情况下，我们希望让 height * width 是动态的。

我们首先需要定义一个范围，用来表示（潜变量）图像分辨率可以变化的区间。为了推导这些数值范围，我们检查了 pipeline 中 hidden_states 的形状在不同图像分辨率下的变化。这些具体数值依赖于模型本身，需要人工检查并结合一定直觉。 对于 Flux.1-Dev，我们最终得到：

transformer_hidden_dim = torch.export.Dim('hidden', min=4096, max=8212)

接下来，我们定义一个映射，指定参数名称，以及在其输入值中哪些维度需要被视为动态：

transformer_dynamic_shapes = {
    "hidden_dim": {1: transformer_hidden_dim}, 
    "img_ids": {0: transformer_hidden_dim},
}

然后，我们需要让动态形状对象的结构与示例输入保持一致。对于不需要动态形状的输入，必须将其设置为 None。这可以借助 PyTorch 提供的 tree_map 工具轻松完成：

from torch.utils._pytree import tree_map

dynamic_shapes = tree_map(lambda v: None, call.kwargs)
dynamic_shapes |= transformer_dynamic_shapes

现在，在执行导出步骤时，我们只需将 transformer_dynamic_shapes 传递给 torch.export.export：

exported_transformer = torch.export.export(
    pipe.transformer,
    args=call.args,
    kwargs=call.kwargs,
    dynamic_shapes=dynamic_shapes,
)

[!NOTE]
可以参考 https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/FLUX.1-Kontext-Dev-fp8-dynamic，它详细说明了如何在导出步骤中把量化和动态形状结合起来使用。

多重编译 / 权重共享

当模型的动态性非常重要时，仅依靠动态形状有时是不够的。

例如，在 Wan 系列视频生成模型中，如果你希望编译后的模型能够生成不同分辨率的内容，就会遇到这种情况。在这种情况下，可以采用的方法是：为每种分辨率编译一个模型，同时保持模型参数共享，并在运行时调度对应的模型。

这里有一个这种方法的示例：zerogpu-aoti-multi.py （https://gist.github.com/cbensimon/8dc0ffcd7ee024d91333f6df01907916）。
你也可以在 Wan 2.2 Space （https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/wan2-2-fp8da-aoti-faster/blob/main/optimization.py）中看到该范式的完整实现。

FlashAttention-3

由于 ZeroGPU 的硬件和 CUDA 驱动与 Flash-Attention 3（FA3）完全兼容，我们可以在 ZeroGPU Spaces 中使用它来进一步提升速度。FA3 可以与提前编译（AoT）配合使用，因此非常适合我们的场景。

从源码编译和构建 FA3 可能需要几分钟时间，并且这个过程依赖于具体硬件。作为用户，我们当然不希望浪费宝贵的 ZeroGPU 计算时间。这时 Hugging Face 的 kernels 库 就派上用场了，因为它提供了针对特定硬件的预编译内核。

例如，当我们尝试运行以下代码时：

from kernels import get_kernel

vllm_flash_attn3 = get_kernel("kernels-community/vllm-flash-attn3")

它会尝试从 kernels-community/vllm-flash-attn3 仓库加载一个内核，该内核与当前环境兼容。
否则，如果存在不兼容问题，就会报错。幸运的是，在 ZeroGPU Spaces 上这一过程可以无缝运行。这意味着我们可以在 ZeroGPU 上借助 kernels 库充分利用 FA3 的性能。

可以参考 Qwen-Image 模型的 FA3 注意力处理器完整示例： https://gist.github.com/sayakpaul/ff715f979793d4d44beb68e5e08ee067#file-fa3_qwen-py。

提前编译的 ZeroGPU Spaces 演示

加速对比

  • 未使用 AoTI 的 FLUX.1-dev：

    https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/FLUX.1-dev-base

  • 使用 AoTI 和 FA3 的 FLUX.1-dev （__1.75 倍__ 加速）

    https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/FLUX.1-dev-fa3-aoti

精选 AoTI Spaces

  • FLUX.1 Kontext：

    https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/FLUX.1-Kontext-Dev

  • QwenImage Edit：

    https://huggingface.co/spaces/multimodalart/Qwen-Image-Edit-Fast

  • Wan 2.2：

    https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/wan2-2-fp8da-aoti-faster

  • LTX Video：

    https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/ltx-dev-fast

结论

Hugging Face Spaces 中的 ZeroGPU 是一项强大的功能，它为 AI 构建者提供了高性能算力。在这篇文章中，我们展示了用户如何借助 PyTorch 的提前编译（AoT）技术，加速他们基于 ZeroGPU 的应用。

我们用 Flux.1-Dev 展示了加速效果，但这些技术并不仅限于这一模型。因此，我们鼓励你尝试这些方法，并在 社区讨论中向我们提供反馈：https://huggingface.co/spaces/zerogpu-aoti/README/discussions/1。

资源

  • 访问 Hub 上的 ZeroGPU-AOTI 组织，浏览一系列利用文中技术的演示。https://huggingface.co/zerogpu-aoti

  • 查看 spaces.aoti_* API 的源代码，了解接口细节。

    https://pypi-browser.org/package/spaces/spaces-0.40.1-py3-none-any.whl/spaces/zero/torch/aoti.py

  • 查看 Hub 上的 Kernels Community 组织。

    https://huggingface.co/kernels-community

  • 升级到 Hugging Face 的 Pro，创建你自己的 ZeroGPU Spaces（每天可获得 25 分钟 H200 使用时间）。

    https://huggingface.co/pro

致谢：感谢 ChunTe Lee 为本文制作了精彩的缩略图。感谢 Pedro 和 Vaibhav 对文章提供的反馈。

英文原文:https://huggingface.co/blog/zerogpu-aoti原文作者: Charles Bensimon, Sayak Paul, Linoy Tsaban, Apolinário Passos

译者: AdinaY

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