Diffusion约2倍无损加速！训练-推理协同的缓存学习框架来了｜ HKUST&北航&商汤
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面对扩散模型推理速度慢、成本高的问题，HKUST&北航&商汤提出了全新缓存加速方案——HarmoniCa：训练-推理协同的特征缓存加速框架，突破DiT架构在部署端的速度瓶颈，成功实现高性能无损加速。
由于现有指标并不能完全反映图像效果优劣，因此该团队研究人员提供了大量可视化效果对比图，更多对比请看原论文。
该工作已被ICML2025接收为Poster，并开源项目代码。
DiffusionTransformer（DiT）作为高分辨率图像生成主力架构，在推理阶段仍面临「重复计算多」「耗时严重」的现实瓶颈。例如，使用PIXART-α生成一张2048×2048图像即需14秒，严重影响落地效率。
近期「特征缓存（FeatureCaching）」成为加速新思路，但已有方法普遍存在两大关键问题：
前序时间步无感知：训练阶段忽略缓存历史，推理时则高度依赖先前结果，二者逻辑断裂；
训练目标错位：训练对准中间噪声误差，推理关注最终图像质量，优化方向南辕北辙；
这两大错配，导致已有缓存学习方法加速有限、图像失真明显。缓存机制的基本工作原理如下：
一句话总结：目标一致、路径同步，训练与推理真正协同优化
该工作提出的HarmoniCa框架通过两个关键机制，从根本上解决了以往学习型特征缓存方法中的训练-推理脱节问题：
逐步去噪训练，模拟推理全流程，误差不再层层积累。
传统方法在训练时仅采样某个时间步，缓存是空的，完全跳过了“历史缓存影响”，而推理时，缓存是从头累积的，训练和推理根本不是一回事。
进而该工作提出SDT来打破这一不一致：
1）构建完整的T步去噪过程，与推理一致；2）教师-学生结构：学生使用缓存进行去噪，教师不使用缓存作为“理想输出”；3）每一时间步的Router都被独立更新，显式对齐多轮缓存路径下的输出误差；4）学生模型每步将自己的输出作为下一个输入，使得误差传播机制贴近真实推理轨迹。
效果：SDT显著降低了时间步间误差积累，提升最终图像清晰度与稳定性。
一句话总结：不是“中间好”，而是“最后图像好”，优化目标就是结果本身。
以往方法训练时只对齐每一步的噪声误差，而推理的目标是最终图像质量，两者目标严重错配，导致缓存Router学出来“看似合理”但效果很差。
该工作提出IEPO机制，核心思想是：
通过代理项λ(t)来估算“使用缓存vs不使用缓存”在时间步t对最终图像x₀的影响；
越关键的时间步，其λ(t)越大，引导Router减少该步缓存复用，保留精度；
每隔若干轮重新生成一批图像，动态更新λ(t)，保证目标始终贴合训练状态。IEPO的优化目标为：
即在“图像质量”与“加速率”之间实现可控权衡。
该工作在两个典型任务场景中验证了HarmoniCa的有效性：
分类条件生成（DiT-XL/2@ImageNet）
文本生成图像（PIXART-α@COCO，多分辨率）
对比方法包括当前最佳的缓存学习方法Learning-to-Cache(LTC)、启发式缓存方法FORA/∆-DiT，以及多种加速器设置（DDIM步数缩减、量化剪枝等）。
分类条件生成（DiT-XL/2256×256）
重点结论：
在高压缩率场景（10步推理）下，HarmoniCa保持图像质量优势，FID比LTC更低、IS更高
同时达成更高缓存利用率，提升实际加速效果
文本生成图像（PIXART-α256×256）
重点结论：
即使在2K高分辨率下，HarmoniCa仍保持1. 69×实际加速
在CLIP语义匹配、FID等主流指标上均超过FORA
量化/剪枝VSHarmoniCa
除了与主流缓存方法的对比，该工作也评估了HarmoniCa相比剪枝和量化等压缩技术的表现。在统一的20步采样设置下，传统方案如PTQ4DiT、EfficientDM等虽然模型更小，但实际加速依赖硬件支持，特别是一些定制CUDA内核在H800等新架构上表现并不稳定。更重要的是，量化模型在小步数采样时往往精度下降严重，PTQ4DiT就出现了明显的性能下滑。而HarmoniCa不依赖底层魔改，无需专用硬件，在各种主流采样器和设备上都能稳定提速，保持图像质量，是当前更通用、更稳妥的部署选择。
与量化结合
该工作还验证了HarmoniCa与模型量化技术的高度兼容性。在PIXART-α256×256场景下，将HarmoniCa应用于4bit量化模型（EfficientDM），推理速度从1. 18×提升至1. 85×，FID仅略增0. 12，几乎无感知差异。说明HarmoniCa不仅可独立提速，也能作为“加速插件”叠加于量化模型之上，进一步释放性能潜力。未来，该工作也计划探索其与剪枝、蒸馏等技术的组合能力，为DiT模型的轻量部署开辟更多可能。
除了推理提速和质量提升，HarmoniCa在训练与推理开销上也展现出极强优势，是真正能用、敢用、易部署的工业级方案。
训练侧：HarmoniCa采用无需图像的训练策略，仅基于模型和噪声即可完成优化，不依赖任何额外数据。在同等训练轮次下，其训练时间比主流方案LTC缩短约25%，显存占用相近，可在单卡稳定运行，适合闭源模型加速和快速迭代。
推理侧：
推理端新增Router极其轻量，参数仅占0. 03%，计算开销低于总FLOPs的0. 001%，几乎不影响吞吐。配合特征缓存，HarmoniCa在PIXART-α上可实现理论加速比2. 07×、实测加速1. 69×，具备优越的部署效率与工程可行性。
当前Diffusion加速路径中，缓存机制正逐渐成为主流方案，但传统做法要么依赖手工规则、要么训练目标错位，无法在真实部署中兼顾性能、效率、适应性。
该工作提出的HarmoniCa框架，首次通过：
SDT——真实模拟推理轨迹，让缓存行为“可训练”；
IEPO——从结果出发优化目标，兼顾图像质量与加速比；
无图像训练/多模型适配/高分辨率通用，让部署更轻松；
在PIXART、DiT、LFM等多个模型上，HarmoniCa都实现了更快的推理、更高的质量、更低的训练门槛，为缓存加速技术注入“可落地”的关键支撑。
论文地址：https ://arxiv. org/abs/2410. 01723
代码地址：https ://github. com/ModelTC/HarmoniCa
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