迈向100倍加速：全栈Transformer推理优化

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作者 | 符尧，爱丁堡大学博士生

OneFlow编译

翻译｜宛子琳、杨婷

假设有两家公司，它们拥有同样强大的模型。公司A可以用1个GPU为10个用户提供模型，而公司B可以用1个GPU为20个用户提供模型。从长远来看，谁会在竞争中获胜呢？

答案是公司B，因为它的成本更低。

假设一位研究人员提出了一种超级聪明的解码方法：这种方法拥有巧妙的算法和扎实的数学基础，但无法与FlashAttention兼容。它能在生产环境中使用吗？

可能不行，因为FlashAttention对大规模模型部署至关重要。

对Transformer推理的深入理解对研究和生产极为有益。然而在现实中，大规模生产通常与前沿研究的关联并不密切，了解算法的人可能并不了解MLSys，反之亦然。

本文讨论了全栈Transformer推理优化，从A100内存层次结构等硬件规格，到FlashAttention和vLLM等MLSys方法，再到专家混合等模型架构，以及推测性解码（Speculative Decoding）及其变体等解码算法。我们确定了一个最基本的事实：Transformer推理受限于内存，且大部分优化（无论来自MLSys还是建模）都基于/利用了这一事实。就像在角色扮演游戏中添加buff一样，可以看到Transformer推理是如何逐步扩展和加速的。

（本文由OneFlow编译发布，转载请联系授权。原文：https://yaofu.notion.site/Towards-100x-Speedup-Full-Stack-Transformer-Inference-Optimization）

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硬件：GPU上的推理

首先，我们将探讨GPU架构，特别是其内存层次结构。我们确定了两个重要模式：计算限制（compute bound）和内存限制（memory bound），并讨论了大规模Transformer推理受内存限制的原因。大部分优化都基于Transformer推理受内存限制这一基本事实，例如只要我们提高FLOP利用率，就能提高效率。

1.1 初步推理

1.1.1 GPU架构

GPU架构总体如下图所示：

基础部分：DRAM（动态随机存取存储器）、L2缓存和SM（流处理器单元）
与CPU对比

SM类似于CPU核心，但具有更高级的并行性
L2缓存和DRAM类似于CPU的L2缓存和DRAM
在Flash Attention论文中，L2缓存被称为SRAM（静态随机存取存储器）

A100 80G SXM

108个SM，DRAM容量为80GB，有40M L2缓存

SM内部包含什么？

L1缓存：指令和数据

张量核心：进行矩阵乘法运算的地方。回想一下，神经网络计算基本上就是巨大批量的矩阵乘法。

1.1.2 GPU编程基础

在执行model.generate(prompt)时，我们进行以下操作：

内存访问:

从高带宽内存（HBM）加载模型权重到L2缓存，然后传输到SM（流处理器单元）

计算:

在SM中执行矩阵乘法，SM请求张量核心执行计算

A100:

108个SM，DRAM容量为80G，40M L2缓存
bf16张量核心：每秒312万亿浮点运算（TFLOPS）
DRAM内存带宽为2039GB/秒 = 2.039T/秒

如果模型很大，我们将其分割到多个GPU上，比如两个由NVLink连接的GPU

NVLink 300GB/秒 = 0.3T/秒
我们大致观察了速度层次结构。尽管不能直接比较，但它们的数量级差异是我们需要优化的主要方面：
312T（SM计算） > 2.03T（DRAM内存访问） > 0.3T=300G（NVLink跨设备通信） > 60G（PCIe跨设备通信）

这意味着，如果我们希望速度更快，我们应该尽力：

充分利用SM
减少单个GPU的内存访问（因为它比计算慢得多），

减少GPU之间的通信（因为它甚至比内存访问还要慢）。

1.1.3 计算限制与内存限制

如何确定我们是否充分利用了SM呢？我们通过以下方式检查是否计算或内存限制：

定义每字节GPU操作 = flop / 内存带宽

A100 = 312 / 2.039

定义计算强度 = 计算 / 内存访问

如果计算强度大，说明程序更会受到计算限制；如果计算强度较小，则更受内存限制。

增加批次大小会将行为从内存限制变为计算限制。
内核融合：减少了内存访问操作，因为我们将多个操作合并为一个操作。

1.2 Transformer推理基础

1.2.1 预填充和解码

调用model.generate(prompt)时有两个步骤：

预填充：

为提示计算键值（kv）缓存。
这一步骤受计算限制，因为我们并行计算了一系列词元。

解码：

自回归采样下一个词元。
这一步骤受内存限制，因为我们仅计算一个词元，未充分利用SM。

1.2.2 Transformer推理受内存限制

增加批处理大小可以将模式从内存限制变为计算限制，正如Kipply博客《大型语言模型的推理演算》中的下图所示。

因为解码每次只采样一个词元。
增加批次大小提高了硬件效率。

因为我们同时计算多个词元。
大型批次从内存限制变为计算限制。

然而，我们可能无法使用太大型的批次大小，因为GPU内存有限，目前最大为80GB。

1.2.3 内存布局

正如我们所看到的，为了在bf16格式下运行一个13B模型，我们大约只有10GB的内存来存储kv缓存。这意味着：

不能使用太大型的批次（尽管我们希望使用更大的批次大小以提高效率）
也不能处理太长的序列，尽管我们确实希望能够处理长度为100k的序列。

1.2.4 在线与离线推理，吞吐量vs时延

离线：吞吐量优化

我们关注这种情况，因为希望能够离线评估模型，例如，在100个基准测试上运行一个中间的预训练检查点（checkpoint），用于验证预训练是否情况良好。
增加批次大小是有帮助的，但需要记住当前单个设备的最大内存为80GB。

在线：时延和吞吐量权衡

当批次大小较大型时（假设仍然适配内存），会受到计算吸纳之，随后时延会相应增加。
时延不应慢于人类的阅读速度，否则用户会抱怨，或者转而使用竞争对手的模型。
但再次强调，我们确实希望使用更大的批次大小以提高效率。

1.2.5 上下文长度扩展

到目前为止，我们的假设都是基于提示不长（低于4k）的情况。接下来，我们将考虑提示超过100k的情况，希望模型阅读多个PDF文件，然后进行文档问答。

预填充
这一次，预填充需要花费更长时间，因为输入长度很长
这种情况下，生成首个词元的时延很重要，因为用户希望在10秒内看到模型生成的响应。
大型KV缓存

由于上下文长度很长，我们需要一个大型的键值（KV）缓存。

目前就改进这方面的推理而言，人们做的工作似乎并不多。

2 MLSys：Flash Attention和vLLM

本节讨论了如何充分利用GPU内存层次结构。vLLM提供了一种进行GPU内存管理的方法，就像在操作系统中管理CPU虚拟内存一样；Flash Attention展示了如何通过在SM上执行大部分操作来有效减少内存IO，从而显著减少内存访问计算开销。

2.1 vLLM和Paged Attention

由于GPU内存有限，我们希望合理使用它来存储键值（kv）缓存。然而，GPU或PyTorch本身并不会自动提供将KV缓存置入内存的最佳方式，而其默认策略实际上相当糟糕。这激发了vLLM中用于GPU内存管理的Paged Attention：

Paged Attention基本构建了一个类似于CPU内存管理的内存管理系统，以减少内存碎片并充分利用内存吞吐量
现在这成为了Transformer推理的首要选择

2.2 Flash attention

对每位从业者来说都是必备的，请简单记住完整的算法。

要点：

不要将完整的注意力矩阵存储在HBM中，而是对点积进行分块计算（blockwise computation），以便所有计算都在L2高速缓存中执行。

主要优势：

大幅减少内存使用，可以使用蛮力法（即“brutal force”，通过穷举所有可能性来解决问题）处理包含100k上下文长度的情况——没错，并没有使用复杂算法来处理100k上下文长度，而是采用了蛮力法。

在原始论文中，作者们最多只测试了16k，但其实完全可以处理100k的上下文长度。

大幅提高吞吐量，尤其是对于小模型，其中大部分浮点运算用于点积操作。

2.3 Flash解码

要点：不再使用一个查询来扫描整个KV缓存，而是复制查询，以便可以并行扫描KV缓存的不同块（chunk）。

3 建模：架构与解码算法

现在我们进入一个大家更熟悉的领域。我们将从蒸馏（distillation）和量化（quantization）等标准且广为人知的技术开始，然后深入探讨专家混合（MoE）和推测性解码（speculative decoding）等进阶主题。

3.1 经典方法

3.1.1 蒸馏和稀疏注意力

蒸馏：利用较大模型的输出/logits对小模型进行微调

对输出进行微调：如今，大家都很擅长从GPT进行蒸馏，所以这部分略过
对logits/分布进行微调的探索较少，一些结果表明，通过这种方法收敛速度更快，质量更好

稀疏和局部注意力，尤其适用于长上下文

在小模型时代，这一领域得到了深入研究（参见Yi Tay的出色调研，https://arxiv.org/abs/2009.06732），但不确定这些结果是否适用于更大规模的模型
在大模型时代，除了Mistral的滑动窗口注意力，这一领域几乎没有相关研究

3.1.2 量化

https://github.com/TimDettmers/bitsandbytes

最基本的方法，将模型权重量化为int 8。
量化如今是部署大模型的必备步骤。好消息是，它实际上并不会对性能造成实质损害。

Yi-34B聊天模型的4位量化仅需17G内存。而基准测试的性能几乎相同。
实际上它的速度相当快，你可以在Hugging Face（https://huggingface.co/spaces/01-ai/Yi-34B-Chat）上进行尝试。

3.1.3 多查询注意力和组查询注意力

通常情况下，多查询注意力通过同时减少内存和计算，显著加快了训练和推理速度。
多查询注意力也是一个很好的例子，小模型与大模型在此方面的差异并不明显：对于7B这样的小模型，多查询注意力不如全注意力，但当模型达到70B时，多查询注意力的性能基本上与全注意力相同。LLaMA2 7B使用全注意力，而70B使用组查询注意力。
现有的顶尖大模型默认使用多查询注意力。

3.2 进阶技术

3.2.1 专家混合模型

从头开始预训练

假设我们有7B激活单元，总共34B参数。
能否实现以下目标？

与34B相似的性能
优于34B的吞吐量
与7B相似的时延最近发布的Mistral MoE使上述目标成为了可能，详见推特上的讨论（https://twitter.com/Francis_YAO_/status/1733686003687112983）

如上表所示：

性能：50B的MoE Mistral模型，其7B的密集部分在性能上接近于34B的Yi模型和67B的DeepSeek模型
推理效率：MoE的密集部分为7B，其中包含前2的激活单元

Mistral MoE展示了降低更小模型成本的同时，取得与更大模型相当的性能的可能性。

参考文献：

Zhang等，2021年。https://arxiv.org/abs/2110.01786
Zhang等，2023年。https://arxiv.org/abs/2305.18390

由Dmytro的Twitter帖子中的图表可知：

当并发性较低时，大部分时间都用于将两个激活的专家模型加载到内存中，这比密集层小，因此需要的内存访问时间更少，从而降低了时延。

换句话说，对于单个查询，MoE的时延低于密集层，因为我们需要从内存中读取的参数更少。
当并发性较高时，我们进入了flop限制的状态，但由于MoE的激活少于密集层，因此吞吐量更高。

换句话说，对于许多并发查询，MoE具有更高的吞吐量，因为：

随之而来的一个问题是，假如我已经训练了一个大型密集模型，是否可以将其转换为MoE模型？

MoE化（MoEfication）：将一个密集模型分解为MoE模型，使其

具有小型模型的高效
同时拥有大型密集模型的强大性能。

参考文献：

Zhang等，2021年。https://arxiv.org/abs/2110.01786
Zhang等，2023年。https://arxiv.org/abs/2305.18390

3.2.2 提前退出

此处的要点是：对于简单词元，我们不需要计算所有的Transformer层，计算部分层就够了，因为它们是简单词元。

对于所有词元，使用一个门控（gate）来确定是否提前退出或继续计算

参考文献：

Schuster等，2022年。Confident Adaptive Language Modeling
Bae等，2023年。https://arxiv.org/abs/2310.05424

3.2.3 分块解码

推测性解码

关键在于，逐词元解码不能充分利用SM的计算能力，因此我们希望能够一次解码多个词元。以下文章值得参考：

Leviathan et. al. 2022. Fast Inference from Transformers via Speculative Decoding
Chen et. al. 2023. Accelerating Large Language Model Decoding with Speculative Sampling
Liu et. al. 2023. Online Speculative Decoding
Leviathan等，2022年。Fast Inference from Transformers via Speculative Decoding
Chen等，2023年。Accelerating Large Language Model Decoding with Speculative Sampling
Liu等，2023年。Online Speculative Decoding

使用小型草稿模型（draft model）存在以下缺点：

性能较弱，因此在一些具有挑战性的领域（如编码）中，拒绝率（rejection rate）可能较高。
我们需要在GPU中放入两个模型，但这已经耗尽了GPU内存。

因此，我们希望将大模型作为自身的提案模型（proposal model），因为

性能较强，因此可以降低拒绝率。
只需在内存中保留一个模型。

这就是我们推行Medusa的原因：

使用多头同时解码多个词元
使用大模型本身作为草稿模型

4 本文尚未涵盖的内容

深水（Deep water）硬件和MLSys

我对MLSys还很陌生，因此不得不向朋友询问自己的理解是否正确。因此，尽管我尝试覆盖最重要的基础知识，但我对MLSys的理解仍然仅是皮毛。
还有许多涵盖硬件和MLSys的精彩文章，我将在文末添加相关参考文献

超大模型的分布式推理。参见Pope等人的Efficiently Scaling Transformer Inference（https://arxiv.org/abs/2211.05102）

关键技术：模型分片（model sharding）、流水并行和张量并行
持续批处理和类似的库DeepSpeed MII（https://github.com/microsoft/DeepSpeed-MII）

对蒸馏的详细讨论

更进阶的分块解码

前向解码（lookahead decoding，https://lmsys.org/blog/2023-11-21-lookahead-decoding/）
基于检索的推测性解码（https://github.com/FasterDecoding/REST）
EAGLE（https://sites.google.com/view/eagle-llm）

5 个人选择

不幸的是，对于大部分模型架构论文而言，其收益和真正重要的工作大多来自MLSys，而非来自论文。实际上，许多花哨的论文并不切合实际，它们无法兼容SOTA MLSys的最新进展，如模型并行和Flash Attention。因此，亲爱的研究同行们，是时候动手实践，仔细研究真正的代码了。

然而，确实有一些来自建模方面的性能收益，以下是我最喜欢的技术，以备你的不时之需：

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结论

本文回顾了从GPU架构到MLsys方法，从模型架构到解码算法的全栈Transformer推理优化方法。可以看出，大部分性能提升都来自于一个原则的利用：Transformer推理受内存限制，因此我们可以释放额外的计算能力/flops。其次，优化要么来自于优化内存访问，比如Flash Attention和Paged Attention，要么来自于释放计算能力，比如Medusa和前向解码。

我们相信MLSys和建模仍有许多改进空间。在即将到来的2024年，随着模型变得更大、上下文变得更长以及随着更多开源MoE（混合专家模型）、更高内存带宽和更大内存容量的硬件，以及具有更大DRAM和专用计算引擎的移动设备的亮相，将出现更强大且人人可操作、可访问的AI。一个新时代即将到来。

参考文献

https://pytorch.org/blog/accelerating-generative-ai-2/
https://arxiv.org/abs/2302.14017
https://arxiv.org/abs/2211.05102
https://kipp.ly/transformer-inference-arithmetic/
https://docs.nvidia.com/deeplearning/performance/dl-performance-gpu-background/index.html
https://www.baseten.co/blog/llm-transformer-inference-guide/
https://cursor.sh/blog/llama-inference
https://lilianweng.github.io/posts/2023-01-10-inference-optimization/
https://arxiv.org/abs/2311.03687