高效提速LLM模型推理部署

GPT-4、LLaMA和 PaLM 等大型语言模型 (LLM) 正在突破自然语言处理的极限。然而，将这些大型模型部署到生产环境中，在计算要求、内存使用、延迟和成本方面面临着巨大的挑战。随着 LLM 变得越来越大、功能越来越强大，优化其推理性能对于实际应用至关重要。

在本文技术深入探讨中，将探索加速 LLM 推理的尖端技术，从而实现更快的响应时间、更高的吞吐量和更高效的硬件资源利用率。本文介绍从数值精度技术和新颖的注意力机制到专为高效文本生成而定制的架构创新等方法。

文末有一些大模型的部署学习资料可以收藏起来。

先了解为什么 LLM 推理与传统 NLP 模型相比如此具有挑战性。

1. 大型语言模型的推理挑战

在 LLM 出现之前，自然语言处理依赖于专注于特定任务（如文本分类、命名实体识别和情绪分析）的小型模型。虽然这些模型仍然需要大量计算，但它们可以部署在适中的硬件上，并遵循相对简单的推理过程。

另一方面，LLM 代表着一种范式转变。这些模型使用数十亿个参数在庞大的数据集上进行训练，使它们能够以惊人的熟练程度执行各种语言任务。然而，这种能力是有代价的------训练和推理过程中的计算需求大幅增加。

一个关键挑战是使用 LLM 生成文本的自回归性质。为了生成类似人类的文本，这些模型每次预测一个标记（单词或子单词），每个新标记都取决于之前生成的输出。这种顺序依赖性阻碍了高效的并行化，并导致计算要求随序列长度呈多项式增长。

此外，LLM 通常需要较长的输入序列（提示）来建立高质量文本生成所需的上下文。较长的输入长度需要更多的内存来存储中间状态和注意矩阵，从而进一步加剧硬件资源的压力。

面对这些独特的挑战，传统的优化技术（如量化和静态计算图）可能会失效，难以在保持 LLM 性能的同时实现有意义的加速。下面深入研究一些专门为加速 LLM 推理而定制的关键策略。

2.加速 LLM 推理的策略

2.1.数值精度技术

加速LLM推理的一种方法是利用降低的模型权重和激活的数值精度。PyTorch 和 TensorFlow 等现代深度学习框架通常默认采用 32 位浮点 (FP32) 精度。然而，研究表明，即使在较低精度下运行，例如 16 位 (FP16)、8 位整数 (INT8) 甚至 4 位整数 (INT4)，LLM 通常也能保持高精度。

降低数值精度有几个好处：

减少内存占用： 较低精度的表示需要较少的内存，从而允许更大的模型或批量大小适应相同的硬件限制。
更快的计算： 许多现代 CPU 和 GPU 为低精度算术提供专门的指令和硬件加速，从而实现显著的加速。
提高能源效率： 由于内存要求更小、计算速度更快，较低精度的推理可以转化为降低能源消耗------这对于边缘和移动部署来说是一个至关重要的优势。

虽然数值精度技术功能强大，但与 FP32 操作相比，它确实会带来一些精度损失。关键是要仔细评估计算增益与特定用例的潜在性能下降之间的权衡。

使用 LLM 进行量化的主要方法有两种：

训练后量化 (PTQ)： 在此方法中，首先使用标准 FP32 精度训练 LLM。训练后，模型权重被量化（转换）为较低精度格式，如 INT8 或 INT4。PTQ 易于实现，但可能导致准确度大幅下降。

量化感知训练 (QAT)： 使用 QAT，可以在训练阶段模拟量化过程。这使模型能够学习补偿量化误差，从而在部署最终量化模型时最大限度地减少准确度下降。与 PTQ 相比，QAT 涉及更多内容，但通常能产生更好的结果。

对于实际应用，可以利用Hugging Face等平台上提供的预量化模型，该平台拥有通过不同量化方法优化的各种模型。例如，如果需要使用 Auto-GPTQ 量化的模型，用户可以使用 Hugging Face 的 transformers 库轻松加载它。此外，要量化模型，可以使用 AutoGPTQ 等工具，它们可以与现有库无缝集成，以有效压缩模型。

以下是使用 Hugging Face 变换器库加载预量化的 Llama-2-7b 模型的示例：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
model_id = "TheBloke/Llama-2-7b-Chat-GPTQ"
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_id)

#对于自定义量化，可以使用AutoGPTQ遵循这些步骤

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer, GPTQConfig
model_id = "llama-2-7b-original"
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)
quantization_config = GPTQConfig(bits=4, dataset="your-dataset", tokenizer=tokenizer)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_id, quantization_config=quantization_config)

量化可能需要在量化后进行微调或及时进行工程设计，以保持模型质量。

在为特定用例选择量化策略时，始终确保在模型大小、计算要求和性能之间取得平衡。

2.2 Flash注意力算法

多头注意力机制是基于 Transformer 的 LLM 的核心组件，使模型能够捕获长距离依赖关系和上下文化表示。然而，这种注意力操作对于自回归文本生成来说计算效率低下，因为它需要为每个新标记重新计算许多相同的值。

Flash Attention 算法在FlashAttention 论文中引入，为注意力操作提供了一种更节省内存且更易于并行化的方法。Flash Attention 不会为每个标记重新计算注意力值，而是缓存并重复使用中间键/值矩阵，从而避免了冗余计算。

这种优化不仅减少了计算开销，而且还改善了内存访问模式，从而更好地利用了 GPU 内存带宽和并行性。

虽然 Flash Attention 的细节相当复杂，但高层思想是将注意力操作分解为两个阶段：

前缀和嵌入： 此阶段计算并缓存所有输入标记的键/值嵌入，从而实现生成过程中的有效重用。
因果注意力： 实际的注意力操作，现已优化以利用第一阶段的缓存键/值嵌入。

通过分离这些阶段，Flash Attention 可以利用高度并行的 GPU 操作，显著加速 LLM 推理中的注意力瓶颈。

以下是使用 LLM 实现 Flash Attention 的简要概念说明：

from transformers import AutoModelForCausalLM
import torch
from flash_attention import flash_attention
# Load an LLM like OctoCoder
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("bigcode/octocoder")
# Sample system prompt that guides the model towards being a better coding assistant
system_prompt = """... (system prompt details) ..."""
# Preparing a longer input with the system prompt
long_prompt = system_prompt + "Question: Please write a function in Python that transforms bytes to Gigabytes."
# Converting the model for Flash Attention optimization
model.to_bettertransformer()
# Running the model with Flash Attention
start_time = time.time()
with torch.backends.cuda.sdp_kernel(enable_flash=True):
result = model.generate(long_prompt, max_new_tokens=60)
print(f"Generated in {time.time() - start_time} seconds.")

虽然 Flash Attention 提供了不错的性能提升，但它在现有的 Transformer 架构中运行，为了充分释放加速 LLM 推理的潜力，需要探索专门针对此任务的架构创新。

2.3 修剪LLM

修剪 LLM 是一种在保持功能的同时减小模型大小的技术。它使用基于 Hessian 矩阵近似的数据相关权重重要性估计器。在修剪过程中，会删除不太重要的权重组，然后对模型进行微调以恢复准确性。LLM-Pruner 软件包提供了支持各种策略的修剪脚本。修剪包括发现依赖关系、估计组贡献以及涉及简短后训练的恢复阶段。

下面是一个简化的 Python 代码示例，演示了如何使用LLM-Pruner来实现 LLaMa 模型：

from transformers import AutoModelForSequenceClassification
from pruning import LLMPruner
# Load pre-trained LLaMa model
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained("llama-base")
# Initialize the pruner with desired configuration
pruner = LLMPruner(
model,
pruning_ratio=0.25,
block_mlp_layers=(4, 30),
block_attention_layers=(4, 30),
pruner_type='taylor'
)
# Execute pruning
pruned_model = pruner.prune()
# Fine-tune the pruned model
pruned_model.fine_tune(training_data)

该代码草图代表加载预先训练的 LLaMa 模型，使用特定配置设置修剪器（例如要修剪哪些层和修剪器的类型），执行修剪过程，最后对修剪后的模型进行微调。

在实际实施中，需要设定模型名称、数据路径以及微调过程的其他参数。另外，此代码是概念表示，实际语法可能会因所使用的库和版本而异。

2.4.高效文本生成的架构创新

Transformer 架构虽然对于语言建模任务非常有效，但它被设计为通用的序列到序列模型。在为具有长输入上下文的文本生成任务部署 LLM 时，研究人员发现更专业的架构可以在不牺牲质量的情况下显著提高推理效率。

以下是实现更快 LLM 推理的一些关键架构创新：

Alibi： PAL-Instruction 论文中引入的 Alibi 架构将长输入上下文的建模与文本生成过程本身分离开来。它使用输入上下文的压缩表示（"alibi"）来初始化生成过程，从而避免在自回归生成期间重复处理完整输入序列。

旋转嵌入： 旋转嵌入技术不使用标准位置嵌入，而是采用旋转矩阵来更有效地编码位置信息。这种方法已被证明可以提高性能并能够处理更长的输入序列。

多查询注意力机制 (MQA)： 在传统注意力机制中，每个输出 token 都会关注整个输入序列，从而导致计算冗余。MQA重新制定了注意力机制，以在多个输出 token 之间共享计算，从而降低整体复杂性。

分组查询注意 (GQA)： 在 MQA 的基础上，GQA 将输出标记分组为簇，并为每个簇联合计算注意。这种方法进一步降低了计算要求，同时保持了高质量的文本生成。

虽然仍处于积极的研究和开发阶段，但这些架构创新已经显示出对 LLM 推理任务的令人印象深刻的加速，尤其是与 Flash Attention 和数值精度优化等技术相结合时。

3.实际部署注意事项

除了核心算法和架构之外，将 LLM 部署到生产环境时还需要考虑一些实际问题和权衡：

硬件加速： 虽然 CPU 可以处理 LLM 推理，但 GPU 和其他加速器（如 Google 的 TPU）对于实现高吞吐量和低延迟至关重要。选择正确的硬件和优化内存使用至关重要。

批处理和并行： 为了充分利用硬件并行性，批处理推理（同时处理多个输入）和模型并行性（将 LLM 分布在多个设备上）等策略可以显著提高吞吐量。

量化与结果的权衡： 量化程度（8 位、4 位等）将直接影响推理速度和内存使用量，但也会影响输出质量。必须针对每个用例仔细评估这种权衡。

模型蒸馏： 作为量化的替代方法，模型蒸馏技术可以将大型 LLM 压缩成更小、更高效的学生模型，同时保持高精度。

缓存和优化运行时： 优化的深度学习运行时（如 NVIDIA 的 TensorRT）和为 LLM 服务设计的框架（例如 MosaicML 的可组合推理套件）可以通过运算符融合、内核优化和智能缓存策略等技术显著提高性能。

实现最佳 LLM 部署的途径通常涉及结合多种技术，同时仔细考虑应用程序的特定要求、基础设施约束和性能目标。

4.一些学习资料

CMU陈天奇大佬最新的推理综述:
Towards Efficient Generative Large Language Model Serving: A Survey from Algorithms to Systems

《开源大模型食用指南》基于Linux环境快速部署开源大模型，更适合中国宝宝的部署教程
https://github.com/datawhalechina/self-llm

整理开源的中文大语言模型，以规模较小、可私有化部署、训练成本较低的模型为主：
https://github.com/HqWu-HITCS/Awesome-Chinese-LLM

大模型相关技术原理以及实战经验：
https://github.com/liguodongiot/llm-action

一个面向小白开发者的大模型应用开发教程：
https://github.com/datawhalechina/llm-universe

学习如何设计、训练和部署由 LLM、向量 DB 和 LLMOps 良好实践：
https://github.com/decodingml/llm-twin-course