LLM 推理加速方式汇总

LLM参数一般都是1.5B，3B，7B，13B甚至更大，远大于CV的主流模型。并且随着ChatGPT爆火，基本上现在的LLM都是围绕decoder-only的next token prediction形式，推理预测方式相对比较固定，本文介绍下LLM 若干推理加速方式。

总览

总的来说，我的调研中，有如下几种方式可以提高LLM推理的速度

1. 量化

2. 模型结构改进

3. Dynamic batch

4. 投机（Speculative） 推理

量化

1. FP32 是单精度浮点数，用8bit 表示指数，23bit 表示小数；
2. FP16半精度浮点数，用5bit 表示指数，10bit 表示小数；
3. BF16是对FP32单精度浮点数截断数据，即用8bit 表示指数，7bit 表示小数。

其中，fp16是intel提出的，bf16是nvidia提出的。动态范围是：

以FP16的最小二进制 0 00000 0000000001 为例，讲解如何转化为十进制。参考：https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/dev_guides/amp_precision/amp_op_dev_guide_cn.html。

• 第一个位表示 符号位（Sign bit）

• 第二到六位表示指数位（Exponent bits）

• 指数位是以偏移量存储的，对于binary16格式，偏移量是15。指数位需要计算与15的偏差，min_e=00001-01111=-14，max_e=11110-01111=15

• 剩下十位表示尾数位（Mantissa bits）

2^(-14) * 2^(-10) = 2^(-24) = 5.960464477539063E-08

这里区分一个概念，虽然FP16最小数是5.96E−8，并不意味着有效数字是E-8（也就是小数点后8位）。有效数字是由尾数的位数决定的，对于FP32，尾数有23位，加上隐含的1位，共24位二进制数字。这大约相当于7位十进制数字的精度，因为 2^24 ～= 10^7。

Q：深度学习中应该使用HF16还是BF16？

A：在尾数的表示上，BF16拥有7位精度，而HF16则有10位精度。这表明在表示接近于1的小数值时，HF16比BF16能提供更高的精度。

然而，BF16拥有与FP32相同的8位指数部分，因而能够表示与FP32几乎一样广泛的数值范围，这对于避免上溢和下溢非常重要。尽管BF16在尾数精度上不如HF16，但在深度学习应用中，这种较宽的数值范围通常比尾数的额外几位精度更为重要。这是因为深度学习模型通常对权重的尾数精度不是非常敏感，而更依赖于能够处理范围广泛的梯度和权重值。

量化对LLM的影响

了解完数值类型后，我们不妨通过Qwen官方发布的Qwen-7B-Chat-Int4为例，看看量化究竟会对LLM产生什么影响。

以下数据来源于：https://huggingface.co/Qwen/Qwen-7B-Chat-Int4#%E9%87%8F%E5%8C%96-quantization

测算不同精度模型在各个数据集上的评测结果，最终量化后的模型精度并没有大幅下降。

测算不同精度模型以及不同FlashAttn库版本下模型生成2048和8192个token的平均推理速度。可以看到量化后速度并没有大幅提高。

⬆表官方记录了在长度为1的上下文的条件下生成8192个token的性能。评测运行于单张A100-SXM4-80G GPU，使用PyTorch 2.0.1和CUDA 11.8。推理速度是生成8192个token的速度均值。

测算不同模型精度编码2048个token及生成8192个token的峰值显存占用情况。（显存消耗在是否使用FlashAttn的情况下均类似。）结果如下所示，量化后显存大幅降低。

结论：

1. 从BF16，int8到int4，Qwen-7B-Chat各数据集上量化损失性能不显著

2. 量化后速度并不能明显提高

3. 量化后显存显著减少

稍微解释一下结论：

1. 量化对于文本生成特别有效，因为我们关心的是选择 最可能的下一个词元的分布 ，而不真正关心下一个词元的确切 logit 值。所以，只要下一个词元 logit 大小顺序保持相同， argmax 或 topk 操作的结果就会相同。【与图像检索类似】

2. 量化基本原理是权重需要经过量化与反量化（到bf16），需要更多的计算量，所以int8推理速度甚至会变慢。

常用量化方法：GPTQ、AWQ和GGUF

现在主流的方法是使用GPTQ、AWQ和GGUF（cpu上）这类量化方法把模型权重量化到INT8甚至INT4。

GPTQ和AWQ，包括GGUF社区已经有公开release的包了，基本上开箱即用，我们完全可以拿来主义，直接实现。这里我因为时间问题只粗略看了最新的AWQ。

AWQ全称是 Activation-aware Weight Quantization (AWQ) for LLM Compression and Acceleration。简单来说就是，激活时重要的数值使用FP16，其余全部W都使用量化后的数值。

AWQ还有一个损失函数使用数据驱动方式减少量化后的损失，最终的效果如下：

PPL 表示困惑度，一般来说越低越好。

不过看原文Tabel 3，看起来保存1%fp16效果已经足够好了，AWQ 数据驱动的方案提升貌似并不明显。当然一味看PPL说明不了问题，还是得看实际实现后的效果。

模型结构改进

因为LLM已经预训练好了，我们一般也不需要重新再做预训练。所以其实最简单的方法就是用一个更小的模型推理，13B不行，就用7B，7B不行呢就用3B。当然，这只是从实操角度说明的。如果可以修改模型，那么可以采用MQA或者GQA的方式重新训练模型，此外，也可以采用无需训练的 flash attention，page attention对推理进行提速。下面我们一个一个讲下。

Multi-Query Attention (MQA)

https://arxiv.org/pdf/1911.02150.pdf

MQA实现非常简单，相比于Multi-Head Attention，MQA仅仅只有一个不同，也就是 k, v矩阵参数共享。

根据表格2和表格3可以看出，MQA的效果基本不变，训练速度不变。推理速度中，encoder的推理速度基本不变，decoder的推理快了很多（表3是生成per token所需要的毫秒数）

这里很有意思的两个点是：

1. 训练速度不变，推理速度变快

2. 推理速度主要是因为decoder速度变快，而encoder速度基本不变

   
   

按照道理来说，MQA只能降低显存的使用啊，运算量并没有减少，为啥速度能提高这么多？

了解到一个历史，MQA刚出来，虽然作者很牛，但是没什么人关注，最重要的原因是paper写的太随意。直到ChatGPT这种LLM出来，推理时间需要优化，才重新被捡起来。

encoder是并行的一次前向，输入token变多，推理时间并不会线性增长。而decoder是auto regression的过程，因此decoder肯定会比encoder慢，decoder的计算时间通常随着输出长度的增加而线性增长。

Decoder 每次前向，当前 timestep 计算 Attention 要用到的部分，如之前 timestep 的 KV （Key 和 Value）值都计算过的，只是之前每次前向完后给计算结果都丢掉，只保留最后输出。

于是一个很自然的想法就是 Cache。这很像斐波那契递归函数，会出现不断重复计算问题，加个 cache 瞬间提速。如图，我画了一个简图，一个简单的想法就是每次前向完，之前计算的kv attention都保留下来，之后只用计算新的token和之前的token的attention矩阵就好了。

实际上对于LLM是不现实的，比如 Llama 7B 模型，hidden size 是 4096，那么每个 timestep 需缓存参数量为 4096*2*32（个head）=262144，假设半精度保存就是 512KB，1024 长度那就要 512MB. 而现在英伟达最好的卡 H100 的 SRAM 缓存大概是 50MB，而 A100 则是 40MB。

回归正题。。MQA的inference提速就是因为极大的缩小了kv的存储代价，然后采用某种策略缓存了一部分kv，试想一下，之前假设32个head得存32份kv的project weight网络参数，但是现在只需要存一份！后面的flash attention 也有异曲同工之妙。

Grouped Query Attention (GQA)

https://arxiv.org/pdf/2305.13245.pdf

MQA和MHA的折中版本，MQA会小幅降低性能，所以为了在牺牲更小性能前提下加速，GQA应运而生，GQA就是每几组kv共享参数。这个过度事实上非常缓慢，毕竟 Group Conv的演变早很多。

从最终结果看GQA确实取得了折中

Flash attention

这个一般主流LLM都使用了，主要思想是分配计算，榨干GPU

GPU主要分为计算单元（如浮点运算单元）和内存层次结构。大多数现代GPU包含专用的低精度矩阵乘法单元（如Nvidia GPU的Tensor Core用于FP16/BF16矩阵乘法）。

内存层次结构分为高带宽内存（High Bandwidth Memory, HBM）和片上SRAM（也称为shared memory）。以A100 GPU为例，它具有40-80GB的HBM，带宽为1.5-2.0TB/s，每个108个streaming multiprocessors共享的SRAM为192KB，带宽约为19TB/s。

参考Flash attention论文，QKV运算的中间结果不用放在HBM，而是放在SRAM上，FlashAttention可以将内存开销降低到线性级别，并实现了2-4倍的加速，同时避免了对中间结果的频繁读写，从而提高了计算效率。

参考Flash attention v2论文，参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/645376942

博主讲的很清楚，总的来说，v2相比v1，减少了非矩阵乘法运算（non-matmul）的FLOPs，将任务分配给不同的thread block进行并行计算，充分利用GPU资源，在一个thread block内部分配任务给不同的warps，以减少访问共享内存次数。这些优化方案使得FlashAttention-2的速度提升了2-3倍。

原文的实验如下，注意这里的指标是TFLOPs/s 表示 1万亿次浮点指令每秒。这里TFLOPs/s 翻倍并不代表模型吞吐量翻倍。也就是吐出token/s。吐出token/s可以参考

由于flash attention 优化的是self-attention的运算（和input token强相关），因此当输入序列更长，效果更明显。在输入token短时，没有明显提速 ，可以参考github上相关issue。

https://github.com/QwenLM/Qwen/issues/49

Page attention

参考博客：https://zhuanlan.zhihu.com/p/661152161。LLaMA-13B中，单个序列的KV缓存可能高达1.7GB。更重要的是，其大小取决于序列的长度，这个长度是难以预测和有很大变化的。这种情况对KV缓存的有效管理带来了巨大挑战。实际上，现有的系统由于内存的碎片化和过度预留，浪费了60% - 80%的内存资源。

为了解决这个问题，他们提出了PagedAttention，这是一种管理注意力计算的算法，也是面向kv cache的计算优化。它受到了虚拟内存和操作系统中的分页思想的启发。与传统的注意力算法不同，PagedAttention在非连续的内存空间中存储连续的键和值。PagedAttention的工作原理是，它将每个序列的KV缓存分成若干块，每块负责固定数量的令牌的键和值。在进行注意力计算时，PagedAttention算法能够高效地识别并获取这些块，从而提高了内存使用的效率。

简单来说，page attention 有一个高效的索引逻辑索引，在非连续的内存空间中存储连续的键和值，理论上，内存浪费只会发生在最后一个block，允许系统将更多单元进行批处理，并且还有并行采样的逻辑。所以需要预先在gpu上分配一定额外空间，大幅提高吞吐量。

page attention 集成在了 vllm，即插即用。

https://github.com/vllm-project/vllm?tab=readme-ov-file

我自己实测qwen-7B-chat，10个案例求平均，每一个案例输入 prompt = "输出20个任意的中文字符。"，nf4是q-lora提出的一种精度格式，一块做了对比。vllm提速非常明显。