LLM推理入门指南①：文本生成的初始化与解码阶段

随着生成式AI的火热发展，高企的语言大模型（LLM）推理性能和成本成为阻碍其大规模应用的关键挑战。

LLM推理是指使用仅解码器Transformer模型生成词元，而大多数挑战及其相关的解决方法都来自这种特定的架构和用例。本系列文章将深入探讨LLM推理的不同层面及其挑战，同时，其中提供的有价值见解也适用于Transformer编码器模型的推理。

通过本系列内容的学习，希望帮助读者了解与LLM推理密切相关的术语，比如键-值（KV）缓存、内存带宽限制（memory-bandwidth bound）等，以便理解推理优化（量化、融合kernel、模型架构修改等）和配置（批处理大小、使用哪种GPU等）所涉及的各种技术，并最终将它们与关键的性能指标（时延、吞吐量和成本）联系起来。

希望读者建立起一个见解深刻的心智模型，从而能够在配置和优化LLM serving解决方案时做出明智且迅速的决策。本文是该系列的第1篇文章，主要关注文本生成的两个阶段：初始化阶段和生成（或解码）阶段。

在阅读本系列文章之前，读者需对Transformer架构以及在著名的《Attention Is All You Need》论文中介绍的缩放点积注意力（SDPA）机制有基本了解，但无需深入了解注意力机制背后的动机因素。

本文作者为AWS的GenAI解决方案架构师Pierre Lienhart。以下内容由OneFlow编译发布，转载请联系授权。原文：https://medium.com/@plienhar/llm-inference-series-2-the-two-phase-process-behind-llms-responses-1ff1ff021cd5）

作者 | Pierre Lienhart

OneFlow编译

翻译｜宛子琳、杨婷

本文回顾了Transformer架构以及使用基于Transformer的解码器进行文本生成的基础知识。更重要的是，我将构建起整个LLM推理系列中要使用的词汇表，并使用粗体标记出个人认为重要的术语。读者将主要了解文本生成的两个阶段：初始化阶段和生成（或解码）阶段。

首先，我们来回顾一下Transformer。为简单起见，我们假设一次只处理一个序列（即批处理大小为1）。在下图中，我描述了一个简单的基于Transformer的解码器（图1）的主要层，用于从一系列输入词元中生成输出词元。

图1—Transformer解码器模型概要

需要注意的是，解码器本身并不会输出词元，而是输出logit（其数量与词汇表大小相同）。输出logit的最后一层通常被称为语言模型头（Language Model Head）或LM头。将logit转换为词元是通过一种通常被称为 （词元）搜索策略（(token) search strategy）、生成策略（generation strategy）或解码策略（decoding strategy） 的启发式算法来完成的。常见的解码策略如下：

贪婪解码（Greedy decoding），简单来说就是选择具有最大logit的词元，在此之前可能会使用重复惩罚（repetition penalty）等方式，对logit进行一些调整。
采样解码（Sampling decoding），将logit看作多项分布，然后从中采样。换句话说，我们通过随机采样从词汇表中选择一个词元。在采样过程中，可以先采用温度调节（temperature scaling）、top-k和top-p等常见方式，对从中采样的分布进行调整。
更复杂的启发式算法，如束搜索（beam search）、对比解码（contrastive decoding）¹等。

简单起见，我们假设解码策略是模型的一部分（见图2）。这种心智模型（mental model）在提供LLM serving解决方案方面十分有用，这些接受词元序列作为输入，并返回相应输出词元的实体通常被称为执行引擎或推理引擎。

图2—一个高度简化的Transformer解码器模型

如果要生成多个词元呢？使用基于Transformer的解码器，从一个输入文本序列（通常称为提示（prompt））中生成文本（通常名为完成（completion））通常包含以下步骤：

将模型权重加载到GPU
在CPU上对提示进行分词，并将词元张量传输到GPU（见图3）

图3—分词步骤

3. 利用神经网络运行经过分词的提示，生成完成的第一个词元。

这一单步骤阶段通常被称为“初始化阶段”。在下一篇文章中，这一阶段也经常被称为“预填充阶段”。

4. 将生成的词元添加到输入词元序列，然后将其用作新的输入，以生成完成的下一个词元。然后，重复这一过程，直到生成停止序列（例如单个序列结束（EOS）词元），或达到预先配置的最大序列长度（见图4）。

这一多步骤阶段通常被称为生成阶段、解码阶段、自回归阶段甚至是增量阶段(incremental phase)。

步骤3和步骤4如下图所示（图4）。

图4—词元生成过程的初始阶段和解码阶段

将完成的词元传输到CPU，并进行逆词元化（detokenization）以获取生成的文本（见图5）。

图5—逆词元化步骤

注意：最近出现的旨在实现更低时延的先进技术（如推测性采样²或前瞻解码³）并不完全遵循上述简单算法。

这种情况可能会让人感到失望、困惑，或二者兼具。你可能会疑惑：初始化阶段和解码阶段究竟有何不同？从这个角度来看，这两者之间的区别似乎只是人为设定的。确实，感觉上初始化阶段与while循环的初始化步骤类似。实际上，我们在这两个阶段做的事是一样的：在每次迭代中，我们都会对一个词元序列进行前向传播，这个序列每次都会增加一个词元。

你的想法可能是正确的。对于在硬件上计算的方式来说，这两个阶段确实没有任何区别，因此在这方面，这两个阶段并没有什么特别之处。

然而，正如我们将在下一篇文章中看到的，这种设置涉及大量冗余计算，在许多情况下效率并不高。对于这种情况，将我们不想重新计算的内容进行缓存处理是最显而易见的方式。这种优化方式即为“KV缓存”，并由此引出了我一直在暗示的关键差异。下一篇文章将对此进行深入探讨。

[1]: A Contrastive Framework for Neural Text Generation (Su et al., 2022)

[2]: Fast Inference from Transformers via Speculative Decoding (Leviathan et al., 2022)

[3]: Breaking the Sequential Dependency of LLM Inference Using Lookahead Decoding (Fu et al. 2023)

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