TurboDiffusion: Accelerating Video Diffusion Models by 100-200 Times
Authors: Jintao Zhang*, Kaiwen Zheng*, Kai Jiang*, Haoxu Wang*, Ion Stoica, Joseph E. Gonzalez, Jianfei Chen, Jun Zhu Affiliations: Tsinghua University, Shengshu Technology, UC Berkeley arXiv: 2512.16093 GitHub: thu-ml/TurboDiffusion Year: 2025
1. Motivation (研究动机)
当前视频 diffusion 模型（如 Wan2.1/2.2）在单卡上生成一个 5 秒视频需要几十分钟甚至超过一小时（Wan2.1-T2V-14B-720P 在 RTX 5090 上需要约 4767 秒）。这严重限制了视频生成模型在实际场景中的应用。
现有加速方案存在以下不足：
- FastVideo 等框架仅实现了约 60-70x 加速，且在视频质量上有明显退化
- 单独使用 step distillation 或 attention 加速只能带来有限的加速比
- 大模型（14B）在消费级 GPU 上甚至无法运行（OOM）
核心问题：能否将多种正交的加速技术系统性地组合，在单张消费级 GPU 上实现 100-200x 的端到端加速，同时保持视频质量？
2. Idea (核心思想)
TurboDiffusion 的核心思路是将四种正交的加速技术进行协同优化（co-optimization），形成一个端到端的加速框架：
- Attention 加速：使用 SageAttention（低精度量化 attention）+ Sparse-Linear Attention (SLA)（稀疏 + 线性 attention 的混合）
- Step Distillation：采用 rCM（score-regularized Continuous-time consistency Model）将采样步数从 100 步压缩到 3-4 步
- W8A8 量化：将 Linear 层的权重和激活量化为 INT8，利用 INT8 Tensor Core 加速计算并压缩模型体积
- 工程优化：使用 Triton/CUDA 重写 LayerNorm/RMSNorm，CPU offload 等
这些技术之间的正交性是关键：
- SLA 的稀疏计算与 SageAttention 的低精度加速是正交的，可以叠加
- rCM distillation 通过 model weights merging 自然继承 SLA attention 的加速
- W8A8 量化与 attention 加速也是正交的
3. Method (方法)
3.1 Sparse-Linear Attention (SLA)
SLA 是 TurboDiffusion 的核心 attention 加速方案，将 sparse attention 和 linear attention 进行互补结合：
- Sparse Attention：通过 Top-K 选择最重要的 key blocks 来近似 full attention，保留全局信息但计算量大幅降低
- Linear Attention：使用 feature map 将 softmax attention 近似为线性复杂度，但单独使用精度不够
- SLA 组合：sparse attention 捕获关键的高频信息，linear attention 补充低频全局信息，两者输出相加
SageSLA 是 SLA 在 SageAttention CUDA kernel 基础上的高效实现，进一步利用 INT8 量化 Q/K 和 FP8 量化 V 来加速 sparse attention 部分的计算。
# Pseudocode: SageSLA Forward Pass
def sage_sla_forward(q, k, v, topk_ratio=0.1):
"""
q, k, v: [B, H, L, D] - query, key, value tensors
topk_ratio: ratio of key blocks to select (e.g., 0.1 = 90% sparsity)
"""
# Step 1: Compute block-level importance map
# 对 Q 和 K 按 block 分块，计算 block-level 的 QK score
sparse_map, lut, real_topk = get_block_map(q, k, topk_ratio)
# Step 2: Sparse Attention (SageAttention kernel)
# 量化 Q, K 为 INT8，V 为 FP8
q_int8, q_scale, k_int8, k_scale = quantize_qk_int8(q, k)
v_fp8, v_scale = quantize_v_fp8(v)
# 使用量化 kernel 仅在 top-k blocks 上计算 attention
o_sparse = block_sparse_attn(q_int8, k_int8, v_fp8, lut, scales)
# Step 3: Linear Attention
# 对 Q, K 应用 feature map (softmax)
q_feat = softmax(q) # feature map
k_feat = softmax(k)
# O(L * D^2) 线性复杂度
kv_sum = k_feat.T @ v # [D, D]
k_sum = k_feat.sum(dim=-2) # [D]
o_linear = (q_feat @ kv_sum) / (q_feat * k_sum).sum(dim=-1)
# Step 4: Linear projection + combine
o_linear = proj_l(o_linear) # learnable projection, init to zero
output = o_sparse + o_linear
return output代码映射：
SageSparseLinearAttention类 →turbodiffusion/SLA/core.py- Block map 计算 →
turbodiffusion/SLA/utils.py(get_block_map) - SageAttention CUDA kernel → 依赖
spas_sage_attn包（SpargeAttn） proj_l初始化为零 → 训练初期等价于纯 sparse attention，逐步学习 linear attention 的补充信息
3.2 rCM Step Distillation
rCM（score-regularized Continuous-time consistency Model）用于将预训练的 diffusion model distill 成一个少步采样模型：
- 基于 Rectified Flow formulation，将 TrigFlow timesteps 转换为 RectifiedFlow timesteps
- 训练后仅需 3-4 步即可生成高质量视频
- 通过 model weights merging 将 SLA finetune 和 rCM distillation 的参数更新合并到同一个模型
# Pseudocode: rCM Sampling (Inference)
def rcm_sampling(model, num_steps=4, sigma_max=80):
"""
model: distilled model (SLA + rCM combined)
num_steps: number of sampling steps (3 or 4)
sigma_max: initial noise level
"""
# Step 1: Define timestep schedule
# TrigFlow → RectifiedFlow conversion
mid_t = [1.5, 1.4, 1.0][:num_steps - 1]
t_steps = [atan(sigma_max), *mid_t, 0]
t_steps = sin(t_steps) / (cos(t_steps) + sin(t_steps)) # convert to RF
# Step 2: Initialize with scaled noise
x = randn(B, C, T, H, W) * t_steps[0]
# Step 3: Iterative denoising (only 3-4 steps!)
for i, (t_cur, t_next) in enumerate(zip(t_steps[:-1], t_steps[1:])):
# Model predicts velocity
v_pred = model(x, timestep=t_cur * 1000, text_emb=text_emb)
# Euler step with stochastic re-noising
x_denoised = (1 - t_next) * (x - t_cur * v_pred)
noise = randn_like(x)
x = x_denoised + t_next * noise # re-noise for next step
return x # final clean sample代码映射：
- 采样循环 →
turbodiffusion/inference/wan2.1_t2v_infer.py中的主推理代码 - rCM 训练代码 →
turbodiffusion/rcm/目录 - 模型定义 →
turbodiffusion/rcm/networks/wan2pt1.py
3.3 W8A8 Quantization
W8A8 量化将 Linear 层的权重和激活都量化为 INT8，使用 block-wise 量化（block size 128x128）：
# Pseudocode: W8A8 INT8 Linear Layer
class Int8Linear:
def __init__(self, weight_int8, weight_scale, bias):
"""
weight_int8: [out, in] INT8 quantized weights
weight_scale: [out/128, in/128] per-block scales
bias: [out] float bias
"""
self.weight_int8 = weight_int8
self.weight_scale = weight_scale
self.bias = bias
@classmethod
def from_linear(cls, linear_module):
# Block-wise quantization: 128x128 blocks
weight = linear_module.weight # [out, in]
blocks = weight.reshape(out//128, 128, in//128, 128)
scales = blocks.abs().amax(dim=(-1, -3)) / 127.0
weight_int8 = (weight / scales).round().clamp(-128, 127).to(int8)
return cls(weight_int8, scales, linear_module.bias)
def forward(self, x):
# Quantize activation to INT8 (also block-wise 128)
x_int8, x_scale = int8_quant(x, block_size=128)
# INT8 matmul on Tensor Cores
output = int8_matmul(x_int8, self.weight_int8, x_scale, self.weight_scale)
return output + self.bias代码映射：
Int8Linear类 →turbodiffusion/ops/core.py- INT8 量化函数 →
turbodiffusion/ops/core.py(int8_quant) - GEMM kernel →
turbodiffusion/ops/gemm/目录（CUTLASS-based） - 模型替换逻辑 →
turbodiffusion/inference/modify_model.py(replace_linear_norm)
关键设计：proj_l（SLA 中 linear attention 的投影层）被 skip 不做量化，因为它是 float32 且对精度敏感。
3.4 FusedNorm 优化
使用 Triton 重写 LayerNorm 和 RMSNorm，替换 PyTorch 原生实现以获得更好的 GPU 利用率：
代码映射：
FastLayerNorm/FastRMSNorm→turbodiffusion/ops/core.py- Triton kernel → 使用
@triton.jit装饰器编写高效 GPU kernel
3.5 Training Pipeline
训练分为两个并行的过程，最后通过 weight merging 合并：
# Pseudocode: Training Pipeline
def training_pipeline(pretrained_model, data):
# Phase 1a: SLA Finetuning (parallel)
# 将 full attention 替换为 SLA，finetune 适配 sparsity
sla_model = replace_attention(pretrained_model, attention_type="sla")
sla_delta = finetune(sla_model, data) # ΔW_sla
# Phase 1b: rCM Distillation (parallel)
# 使用 rCM 将 teacher → student (few-step)
rcm_delta = rcm_distill(pretrained_model, data) # ΔW_rcm
# Phase 2: Weight Merging
# 合并两个 delta，rCM 自然继承 SLA 的 attention 加速
final_model = pretrained_model + sla_delta + rcm_delta
# Phase 3: Quantization (post-training)
final_model = quantize_w8a8(final_model, skip="proj_l")
return final_model训练基础设施支持：FSDP2（分布式并行）、Ulysses CP（context parallel）、SAC（selective activation checkpointing）。
4. Experimental Setup (实验设置)
Models & Baselines
| 模型 | 参数量 | 分辨率 | 任务 |
|---|---|---|---|
| Wan2.1-T2V-1.3B-480P | 1.3B | 480p | Text-to-Video |
| Wan2.1-T2V-14B-480P | 14B | 480p | Text-to-Video |
| Wan2.1-T2V-14B-720P | 14B | 720p | Text-to-Video |
| Wan2.2-I2V-A14B-720P | ~14B | 720p | Image-to-Video |
Baselines：
- Original：Wan 官方实现（100 步）
- FastVideo：使用 3 步采样 + 0.8 sparsity attention
Hyperparameters
- Top-K ratio: 0.1（对应 90% attention sparsity）
- 采样步数: 3 步（推荐范围 3-4 步）
- Top-K 推荐范围: [0.1, 0.15]
- 量化: W8A8, block size 128x128, INT8
Hardware
- 主要实验在 单张 RTX 5090 GPU 上进行
- 也在 RTX 4090 和 H100 上验证了加速效果（加速比略低于 5090）
5. Experimental Results (实验结果)
5.1 整体加速分解
TurboDiffusion 的加速来自四个层面的叠加，以 Wan2.1-T2V-14B-720P 在 RTX 5090 上为例：
| 阶段 | Latency | 加速比 |
|---|---|---|
| 原始 (Wan2.1-14B-720P) | 4767s | 1x |
| + CPU Offload | 3182s (OOM → 可运行) | - |
| + W8A8 & FusedNorm | 2783s | 1.14x |
| + rCM (4 steps) | 84s | 33.3x |
| + SageSLA | 24s | 3.45x |
| 最终 (TurboDiffusion) | 24s | 199x |
Figure 3 解读：左图为柱状图对比四个模型的 latency，TurboDiffusion 在所有模型上均实现了数量级的加速。右图为水平条形图展示具体加速倍数：Wan2.1-T2V-14B-720P 达到 199x，Wan2.1-T2V-14B-480P 达到 170x，Wan2.1-T2V-1.3B-480P 达到 97x，Wan2.2-I2V-A14B-720P 达到 120x。注意 I2V 模型因为需要在 high-noise 和 low-noise 模型之间切换，实际测量的加速比略低于理论值。
Figure 4 解读：Waterfall 图展示了各优化技术的逐步加速贡献。从 4767s 开始，CPU Offload 使得模型可以在单卡上运行（否则 OOM），W8A8 + FusedNorm 带来 1.14x 加速（压缩模型大小和计算量），rCM 是最大的加速贡献者（33.3x，将 100 步减少到 3-4 步），最后 SageSLA 提供额外 3.45x 的 attention 加速。这四种技术的组合最终达到约 200x 的总加速比。
5. Results
5.1 端到端加速性能
| 模型 | Original | FastVideo | TurboDiffusion | 加速比 |
|---|---|---|---|---|
| Wan2.1-T2V-1.3B-480P | 184s | 5.3s | 1.9s | 97x |
| Wan2.1-T2V-14B-480P | 1676s | 26.3s | 9.9s | 170x |
| Wan2.1-T2V-14B-720P | 4767s | 72.6s | 24s | 199x |
| Wan2.2-I2V-A14B-720P | 4549s | N/A | 38s | 120x |
5.2 视频质量对比
Figure 1 解读：Wan2.1-T2V-1.3B-480P 模型在 “东京街头红裙女性” prompt 下的视频帧对比。Original 需要 184 秒，TurboDiffusion 仅需 1.9 秒。TurboDiffusion 生成的视频保持了人物外观一致性、场景光影效果和运动自然度，整体质量与原始模型相当。
Figure 5 解读：Wan2.2-I2V-A14B-720P 模型的 Image-to-Video 生成对比（冲浪猫 prompt）。Original 需要 4549 秒，TurboDiffusion 仅需 38 秒（120x 加速）。在 I2V 任务中，TurboDiffusion 成功保持了第一帧图像的视觉一致性，同时生成了流畅的运动。
5.3 与 FastVideo 的质量对比
在 Wan2.1-T2V-1.3B-480P 上，TurboDiffusion 不仅比 FastVideo 快（1.9s vs 5.3s），视频质量也明显更好：
Figure 13 解读：在 “复古电视墙” prompt 下的三方对比。FastVideo（5.3s）生成的视频出现了严重的色彩偏移（整体偏绿），内容细节丢失。TurboDiffusion（1.9s）在更快的速度下保持了更好的色彩准确性和场景一致性，接近 Original（184s）的质量。
5.4 大模型 720P 对比
Figure 24-27 解读：Wan2.1-T2V-14B-720P 模型上的对比。在此配置下 TurboDiffusion 达到了最高的 199x 加速（4767s → 24s）。与 FastVideo（72.6s）相比，TurboDiffusion 在速度上快 3x，且在复杂场景（如梵高风格街头、Minecraft 洞穴、新闻纪录片）中保持了更好的细节和运动一致性。
5.5 关键发现
- 加速比随模型规模增大而增大：1.3B 模型 97x → 14B-720P 模型 199x。这是因为大模型的 attention 计算占比更高，SLA 的加速效果更显著
- W8A8 量化使大模型在消费级 GPU 上可运行：14B 模型原本 OOM，量化后模型体积减半，可以在单张 RTX 5090 上运行
- rCM 是最大的加速贡献者（33x），SageSLA 提供额外 3.5x
- 未来方向：扩展到 autoregressive video diffusion 等更多范式