大語言模型推理優(yōu)化技術綜述（The Art of LLM Inference） 原創(chuàng)
編者按： 如何將 LLM 的推理過程從“燒錢的無底洞”轉變?yōu)椤案咝阅艿纳a力引擎”？本文深入剖析了提升 LLM 推理效率的五大核心技術：巧妙的 KV 緩存管理、Query-sparsity attention（QUEST）、推測解碼（使用 draft model 加速生成過程）、權重調度（通過 Flexgen 實現跨設備資源分配）以及系統級優(yōu)化（FastServe 解決隊頭阻塞問題）。此外，作者還簡要介紹了多種常見優(yōu)化方向，包括量化技術（AWQ、INT8、FP8 等）、Early Exit Inference（LITE）、注意力機制優(yōu)化（FlashAttention、ROFormer）以及使用非自回歸 LLM 等。
作者 | Trung Thanh Tran
編譯 | 岳揚
如果您正在開發(fā) AI 解決方案，并托管基于大語言模型（LLMs）的基礎模型，那么您就應該關注模型服務的成本。然而，資金并非唯一的考量因素。請相信，如果無法解決模型性能的難題，即便預算充足，LLMs serving 的實際效果仍會大打折扣。本文將探討如何將 LLM 的推理過程從「燒錢的無底洞」轉變?yōu)椤父咝阅艿纳a力引擎」。
目錄
01 LLMs serving 面臨的一些挑戰(zhàn)
02 主題 1：巧妙的 KV 緩存管理
03 主題 2：Query-sparsity attention
04 主題 3：推測解碼
05 主題 4：權重調度
06 主題 5：系統級優(yōu)化
07 其他主題
08 如何應用這些技術
01 LLMs serving 面臨的一些挑戰(zhàn)
LLMs 非常強大，但它們的特性使其難以高效服務。LLM 的推理過程包含兩個階段：
1) 預填充階段：當你輸入提示詞（上下文、對話歷史、問題等）時，模型會一次性處理所有 token。
2) 解碼階段：在初始的提示詞后，模型逐 token 生成內容，每個新 token 依賴于之前生成的 token。
舉一個易懂的類比：預填充階段如同下棋時擺棋盤（耗時較長），而解碼階段則像擺好棋后逐步下棋（每一步都很快）。
然而，LLMs serving（譯者注：將訓練好的大語言模型部署到實際應用中，以低延遲、高吞吐、資源高效的方式處理用戶請求的技術過程。） 并非輕而易舉，必須考慮以下問題：
Sparsity
在神經網絡（尤其是 FFN 模塊）中，大量神經元的激活值為零。跳過這些零激活值的神經元、僅計算非零元素可以大大節(jié)省運算時間。
LLM 中大量神經元的激活值為零，導致矩陣運算中存在大量零值。圖片來源[1]
內存帶寬限制與內存瓶頸
在 GPU 上傳輸數據往往超過數據計算的耗時。此外，大型模型（例如傳聞參數量達萬億的 ChatGPT）無法單卡裝載。
將當前最先進 LLM 的內存需求，與 GPU 的顯存容量進行對比。圖片來源：ChatGPT
低效調度——先到先得
LLM 通常需要同時處理多個請求。這會導致短請求（例如詢問天氣、時間或簡短的回答）被迫等待長請求完成。那么，平均響應時間幾乎完全由等待時間主導，而非實際計算時間。
你更快，但必須等待之前的請求先處理完。圖片來源：ChatGPT
Sequential Decoding（按順序進行解碼）
生成 token 時無法輕松實現并行處理。每次前向傳播只能產生一個 token（或一個小 batch）。當我們向 ChatGPT 請求長回復時，輸出內容往往是逐詞生成的。這就是為什么“流式輸出”（streaming output）的用戶體驗并不比等待完整答案一次性輸出更差。
逐步進行解碼。圖片來源：ChatGPT
KV Cache 增長
注意力機制需對整個序列的所有文本進行計算，這是 LLM 的推理過程中最核心且最耗時的操作。有趣的是，每當序列中生成新 token 時，系統會對過去的 token 重復大量相同的計算。鍵值緩存（KV Cache）技術通過存儲前幾步的關鍵信息來加速此過程（使用 KV Cache 可使 T4 GPU 上的 GPT2 推理速度提升 5 倍）。下圖展示了使用緩存與不使用的區(qū)別，但使用緩存也會額外占用內存。
解碼序列 [token 1, token 2, token 3, token 4] 時的 KV Cache 操作步驟。圖片來源[2]
實驗表明，KV（Key-Value）緩存的使用率在 20.4% 到 38.2% 之間。我用 Qwen-VL 2.0 模型對約 1 萬張圖片生成簡短描述（要求回答少于20字），發(fā)現速度比未使用 KV 緩存的版本快 20%。
這些特性看似棘手，但通過巧妙的工程化手段，反而能轉化為優(yōu)勢。
02 主題 1：巧妙的 KV 緩存管理
Page attention
KV 緩存會占用大量內存。上下文越長，KV 緩存占用的內存越大。 例如，若某 LLM 的輸入長度為 2048 個 token，則需預留 2048 個詞槽（slots）。下圖說明了我提到的情況。
在圖中，2048 個詞槽被一個包含 7 個單詞的提示詞（“four, score, and, seven, years, ago, our”）占用了，后續(xù)生成的 4 個單詞（“fathers, brought, forth, ”）占用了第 8-11 個詞槽。這意味著仍有 2038 個詞槽被保留，但從未被使用過，這就產生了內存的內部碎片（internal fragmentation）。
每個推理步驟都會生成鍵值對（KV pairs），在使用注意力機制時必須緩存這些數據。KV 緩存通常以連續(xù)的塊（chunks）或頁（pages）的形式分配在內存中。當序列生成完成并釋放內存頁后，已釋放的頁可能不再連續(xù)。后續(xù)序列所需的內存大小可能無法恰好匹配現有空閑塊，導致內存中散布小型的空閑塊——即外部碎片（external fragmentation）。
受操作系統的內存管理啟發(fā)，Page Attention 機制也將數據組織為邏輯內存塊（logical memory block），并通過頁表（page table）進行監(jiān)控，再將合適的頁（page）映射到物理內存中。具體實現如下：
1) Fixed-size Blocks（固定大小的內存塊） ：PagedAttention 分配固定大小且相對較小的內存塊（稱為“頁（pages）”）來存儲 KV 緩存。
2) Shared Blocks（共享內存塊） ：這些固定大小的內存塊可在不同請求間共享。
3) On-demand Allocation（按需進行分配） ：隨著生成過程逐步分配內存塊，無需根據最大序列長度的估算預先分配。
LLM 中的分頁機制示意圖。Image by the author
支持多請求間共享內存塊的 LLM 分頁機制示意圖。Image by the author
Raddix tree KV cache
在計算機科學中，基數樹（radix tree，亦稱 radix trie、compact prefix tree 或 compressed trie）是一種優(yōu)化了空間效率的字典樹（前綴樹），其將每個唯一的子節(jié)點與其父節(jié)點合并。
Raddix tree KV cache 是一種支持跨不同推理請求高效復用鍵值（KV）緩存的技術，尤其適用于多個請求共享共同前綴的場景。 通過將 KV 緩存組織為 Raddix 樹結構，可高效檢索緩存數據并在請求間共享。在下面的例子中，三個請求共享相同的前綴 "ABC"（存儲于父節(jié)點中），每個請求中的最后一個單詞則分別存儲在三個葉子節(jié)點。需注意：樹結構的運行時間復雜度為 O(nlogn)，遠低于注意力計算的 O(n2)。
Raddix tree KV cache 示例
Compressed attention
多頭注意力機制（Multi-head Attention）[3]是 Transformer 模型（LLMs 的基石）的核心機制。每個注意力頭從不同視角分析文本：其中一個注意力頭關注主謂關系，另一個注意力頭解析詞匯特征，第三個注意力頭分析句子結構。這種多頭機制雖增強了模型的理解能力，但也導致每個注意力頭需要獨立的 KV 對。在實時文本處理或長序列場景中，這些獨立的 Key 和 Value 會占用大量內存。
分組查詢注意力機制（Group Query Attention, GQA）允許多個查詢（queries）共享同一組 Key 和 Value，從而減少所需 KV 對數量。多查詢注意力機制（Multi Query Attention, MQA） 則更為激進，僅用一組 KV 對服務所有查詢（queries）。
多頭注意力、多查詢注意力、分組查詢注意力對比圖
中國 AI 初創(chuàng)公司深度求索（DeepSeek）今年初發(fā)布了其 chatbot。該產品以高效、開源著稱，人們傳言他們的成功源于對 ChatGPT 生成數據的分析工作。然而，閱讀了他們的技術報告后，我發(fā)現其技術突破不僅僅局限于數據提取操作。DeepSeek 提出的 Flash Multi Latent Attention（Flash MLA） 通過低秩壓縮將 Key 和 Value 向下投影到更小維度的 latent vector 中，大幅減小了緩存體積。計算注意力時再將 latent vector 向上投影，且上投影矩陣權重與查詢矩陣權重"折疊"融合，進一步加速了注意力的計算。
多頭潛在注意力機制（MLA）示意圖。Image by the author
03 主題 2：Query-sparsity attention
QUEST: Query-Aware Sparsity for Efficient Long-Context LLM Inference
從 MIT 研究人員撰寫的論文《QUEST: Query-Aware Sparsity for Efficient Long-Context LLM Inference》[4]中，我們得知 Transformer 模型在推理過程中（尤其是注意力計算環(huán)節(jié)）常存在高稀疏性「譯者注：high sparsity，大部分神經元或注意力權重在計算過程中未被激活（值為零或接近零）」。這意味著大模型中并非全部的神經節(jié)點被激活。通過將高稀疏性（high sparsity）的特性應用于剪枝機制（pruning mechanism），我們能夠發(fā)現一種高效運行大模型的方法。下圖展示了 Transformer 模型各層的稀疏性統計數據。遺憾的是，第 3 層之后的模型層通常非常稀疏。極端情況下，某些模型層（如第 10 層）甚至達到了 100% 稀疏，這種現象等同于在運行大語言模型時多次乘以 0，從而產生零值輸出。
出現這種現象的原因很簡單：并非每個單詞都對當前上下文有貢獻。
例如，給定提示詞："A is B. C is D. A is"，模型應生成 "B"。這意味著只需要最關鍵的 token，而這很大程度上取決于查詢（queries）。因此該技術被命名為查詢感知的稀疏性算法（query-aware sparsity）。
Transformer 模型推理中的稀疏性估算。圖片來源[5]
了解這一特性后，QUEST 的核心策略就是定位對注意力計算最關鍵的數據塊。QUEST 將找出前 K 個數據塊。其算法流程直觀清晰（見下圖）：
QUEST 獲取 top K 個關鍵數據塊進行注意力計算的流程
首先，對于每個數據塊，QUEST 會找出最小和最大鍵值（minimum and maximum keys）及其通道尺度上的數值（channel-wise values）。接著，query 會逐個元素地生成最大和最小鍵值。這種方法能夠大大減少所需的計算量 —— 即使 query 的符號（sign）變化，后續(xù)的乘積運算通常仍能得到最大值：當 query 符號為負時，乘以最小值必然得到最大輸出值，反之亦然。在獲取每個數據塊的最大值后，QUEST 僅篩選出與 query 最相關的 K 個關鍵 KV 塊。通過這一流程，計算量得以大幅降低。
最后一個關鍵問題是選擇恰當的 K 值，以避免模型性能下降。K 是一個需要通過實驗才能確定的超參數（hyperparameter）。在論文中，作者建議選擇 K=4096，可使模型性能保持在接近 100% 的水平。
以下是 K=4096 時的數據：
- PG19（一種教科書數據集）上的準確率 ≈ 完全達到了全局注意力（Full Attention）的基準準確率
- passkey retrieval 數據集上準確率 ≈ 100%
- LongBench 任務上的準確率 ≈ 在多數數據集上等效于全緩存（full cache）
04 主題 3：推測解碼
推測解碼（speculative decoding）對于大語言模型（LLM）推理的加速非常重要，該技術由 Andrej Karpathy[6] 提出，并由 Google 在 2022 年首次引入[7]。
該技術的核心思想非常簡單：
與其僅用龐大、緩慢但精確的模型（稱為 target model）逐詞生成，不如先用小型、快速但不太準確的模型（通常稱為 draft model）快速"推測"后續(xù)的多個 token。然后用大型模型驗證這些猜測的 token。 若大型模型認同小型模型的預測，則一次性接受所有結果（減少計算量）。如若不一致，就從分歧點開始回退（重新執(zhí)行）。示意圖如下文所示。
draft model 可以是 Ngrams、1B 參數級別的模型，最高可達 3B 參數級別的模型。target model 則可以是數十億甚至數萬億參數規(guī)模的模型。
雖然使用兩個模型會消耗較多內存，且重復生成過程也比較耗時，但該技術的核心價值在于其卓越的實用性 —— 連 Gemini 這樣的頂級模型都已采用該技術（如下圖所示）。實際情況是，draft model 生成的 token 通常正確率很高，以至于 target model 無需修正結果。這是因為在現實語境中常見詞匯如"yes, this, is, and so on"出現頻率極高，即使小型語言模型也能輕松預測。通過并行驗證 draft model 生成的所有 token，而非逐詞進行自回歸解碼，這樣可以節(jié)省大量時間。
05 主題 4：權重調度
調度（Scheduling）的核心在于將模型權重平衡分配到物理機器的資源（包括 GPU、CPU 和硬盤）中。這種策略不僅能通過并行計算加快推理速度，還能讓 100B 參數級別的超大型模型在僅配備有 T4 GPU 的低配置 PC 上運行。
實現這一目標的關鍵在于兩個核心要素：
- 在 GPU、CPU 和硬盤間智能地加載/卸載模型權重
- 高效處理計算單元間的 I/O 數據傳輸
Flexgen
由 Stanford、UC Berkeley 和 CMU 聯合提出的 Flexgen[8]，正是解決這兩個關鍵問題最具創(chuàng)新性的方案之一。
推理過程通常如下圖所示。需要處理的每個數據塊被定義為加載到模型層的一批數據，其中列方向按批次處理的，行方向則按照模型層維度處理。
我們定義有效路徑為滿足以下約束條件的遍歷（即計算）所有方格的路徑：
- 從左向右執(zhí)行
- 所有數據必須位于同一設備
- 當前方塊的激活值（Activation） 需要等待其右側相鄰方塊完成計算后，才能被釋放或復用
- KV Cache需存儲至最右側數據計算完成時釋放
- 任意時刻設備上存儲的張量總大小不得超過該設備內存容量
如果我們有 n 個 token，每個 token 的數據將按順序加載和計算。每一層的權重僅在需要計算時加載，并在計算結束后立即卸載。由于 GPU 的計算速度極快（如閃電），而內存?zhèn)鬏斔俣葮O慢（如蝸牛），頻繁的加載/卸載會帶來巨大時間開銷。
圖中每個方塊表示 GPU 對一個模型層（layer）的批處理計算（batch computation），同色方塊共享同一層的權重參數
Flexgen 通過將行掃描改為列掃描或之字形塊調度（zig-zag block schedule）進行優(yōu)化：在無 I/O 開銷的情況下保留模型層權重，并為下一列保存激活值。在計算塊執(zhí)行期間，Flexgen 實現三大操作的并行執(zhí)行：加載下一層權重、存儲前一數據批次的激活值/KV 緩存、執(zhí)行當前數據批次的計算，從而有效解決內存?zhèn)鬏攩栴}。
Flexgen 的另一個核心創(chuàng)新在于模型權重的硬件分布策略。
Flexgen 采用線性規(guī)劃策略搜索法（Linear Programming Policy Search）來尋找最優(yōu)加載配置，使模型整體推理時間最小化。
其中：
- n：每個序列輸出 token 的數量
- ??：transformer 層數
- block size：每個計算塊處理的樣本量（數據批次大小 × 數據批次數量）
下圖展示了 Flexgen 在搭載了 T4 GPU 的機器上運行 OPT-30B 模型的配置示例。
論文對比了 HuggingFace 的 DeepSpeed 庫和 Accelerate 庫的性能：Flexgen 聲稱能達到 7.32 tokens/秒，而 DeepSpeed 為 1.57 tokens/秒，Accelerate 僅 0.62 tokens/秒。
06 主題 5：系統級優(yōu)化
現有 LLM serving 系統（如 vLLM、Orca）通常采用先到先服務（FCFS，First-Come-First-Serve）機制和執(zhí)行到完成為止（run-to-completion）的運行方式，這會導致隊頭出現阻塞（HOL） —— 簡單來說：長任務會延遲短任務的處理。這就造成了較高的排隊延遲，在實際工作負載中可達總延遲的 90%。 請看論文 FastServe[9] 中的統計數據：
注意：當我們提及長請求/短請求時，并非指提示詞（prompt）的長度，而是指生成首個 token 所需的時間。
time by execuation vs queuing. Image source[9]
該問題的解決方案是：允許中斷長請求，將已完成的部分存入緩存，保留未完成的部分稍后處理，然后切換至短請求。待短請求完成后，繼續(xù)運行長請求的剩余部分。此方案需實現具有多個不同優(yōu)先級的隊列（multi-queue）。
但這一想法仍然存在一個問題：若高優(yōu)先級隊列中存在多個長請求位于短請求之前，可能導致長請求被多次中斷才切換到短請求。這不僅增加長請求的處理時間，還會對緩存造成額外壓力。
FastServe 通過引入跳轉式多級反饋隊列（Skip-Join MLFQ）來解決這個問題：當系統收到請求時，會預估生成首個 token 所需的時間，據此將請求路由至合適優(yōu)先級的隊列，避免干擾更短請求。此外，通過 KV 緩存管理，可在 GPU 處理先前的隊列時主動在隊列間遷移數據，進一步降低延遲。
07 其他主題
還有很多其他優(yōu)化 LLM 推理的技術方向，本文不再詳述（因為這些技術方向非常常見，許多工程師每天都在使用），僅列舉技術方向與參考文獻：
量化（Quantization）
通過降低權重和激活值的精度（如從 FP16 降至 INT4 或 FP8）壓縮模型體積并提升推理速度，同時將精度損失降到最小。
- AWQ
通過激活值計算每個權重/通道的重要性分數進行基于激活值感知的權重量化。支持低比特推理（如 INT3）且無需重訓練。
- LLM.int8()
提出通過校準過程（Calibration）實現 Post-training INT8 矩陣乘法，支持 Transformer 推理且不會降低精度。
- SmoothQuant
通過跨層對齊激活值與權重的數值范圍，提升 post-training 量化效果。
- ZeroQuant / V2 / FP
使用校準過程（Calibration）和低秩補償（Low-rank Compensation）的低比特量化技術（INT4, FP4）。
- LLM-FP4
證明 FP4 表示法可在顯著提升推理速度的同時保持模型質量。
- WINT8
針對生產環(huán)境中的 MoE 模型的 INT8 量化方案。
- SpQR
將模型量化與 sparsity 相結合，實現近乎無損的 LLM 壓縮，適用于邊緣部署。
- FP8-LM
使用 FP8 格式訓練 Transformer，降低訓練與推理過程的內存和算力消耗。
- FP8 Formats
定義 NVIDIA 的 FP8 格式及其在深度學習推理/訓練中的應用。
Early Exit Inference
- LITE
在神經網絡的中間層添加預測能力，當置信度較高時，token 會提前退出，最高可節(jié)省 38% FLOPS。
注意力機制優(yōu)化（Attention Optimization）
- FlashAttention 1, 2, 3
通過內存分塊實現快速、精確的注意力計算，速度與內存效率優(yōu)于標準實現方式。
- ROFormer
引入旋轉位置編碼（Rotary Position Embedding），提升模型對長程依賴關系的泛化能力。
- StreamLLM
允許注意力在流式處理過程中動態(tài)適配新的輸入塊。
非自回歸的 LLM（Non-autoregressive LLMs）
- Diffusion-LM: Improving Controllable Text Generation
將擴散模型應用于文本生成的首個重要工作。
08 如何應用這些技術
vLLM[10] 是一個開源庫，能夠大大提升大語言模型（LLM）推理（運行模型）的速度和效率。
它由 UC Berkeley 的研究者開發(fā)，專注于實現 LLM 的高吞吐、低延遲服務。該庫最初基于 PageAttention 的核心思想，但如今已整合了前文提及的絕大多數優(yōu)化技術。在我看來，vLLM 已成為大模型推理優(yōu)化領域生態(tài)最活躍的開源社區(qū)之一。
以下是我使用 vLLM 調用 QwenVL 2.5 7B instruct 模型對圖片進行描述的示例代碼：
感謝你閱讀本文！這是我以 Fatima Fellowship 身份開展的研究工作，我與 Colorado School of Mines[11] 的 PhD candidate Ismet Dagl 博士合作，專注于提升邊緣設備上大語言模型（LLM）、視覺語言模型（LVM）及基礎模型的性能與內存優(yōu)化。
About the author
Trung Thanh Tran
CTO of ClientScan | Co-founder of ??Takenote.ai?? | AI Researcher | | Data Scientist at Pixta Vietnam | IGI AI Book Writer
END
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文中鏈接
[1]??https://developer.nvidia.com/blog/accelerating-inference-with-sparsity-using-ampere-and-tensorrt/??
[3]??https://d2l.ai/chapter_attention-mechanisms-and-transformers/multihead-attention.html??
[4]??https://arxiv.org/abs/2406.10774??
[5]??https://medium.com/r?url=https%3A%2F%2Farxiv.org%2Fabs%2F2406.10774??
[6]??https://x.com/karpathy/status/1697318534555336961?lang=en??
[7]??https://arxiv.org/pdf/2211.17192??
[8]??https://arxiv.org/pdf/2303.06865??
[9]??https://arxiv.org/pdf/2305.05920??
[10]??https://docs.vllm.ai/en/latest/index.html??
[11]??https://cs.mines.edu/??
本文經原作者授權，由 Baihai IDP 編譯。如需轉載譯文，請聯系獲取授權。
原文鏈接：
??https://blog.gopenai.com/the-art-of-llm-inference-fast-fit-and-free-c9faf1190d78??
