KV Cache 与 MQA/GQA：从推理优化看注意力机制的工程化演进

本文将从自回归推理的工程需求出发，系统阐述 KV Cache 的本质、设计原理及其如何自然引出多查询注意力（MQA）与分组查询注意力（GQA）的优化路径。

一、自回归推理的瓶颈与 KV Cache 的诞生

在 Transformer 的自注意力机制中，第 \(t\) 个位置的输出需要与历史所有位置进行交互：

\[\text{Attn}(t) = \text{softmax}\left(\frac{Q_t K_{1:t}^{\top}}{\sqrt{d_h}}\right) V_{1:t} \]

其中 \(Q_t = x_t W_Q\)，\(K_t = x_t W_K\)，\(V_t = x_t W_V\)。

训练与推理在计算模式上存在根本差异。训练阶段采用并行计算：整个序列一次性输入，所有位置的注意力同步完成，无需保留中间状态。而自回归推理本质上是串行过程，每步仅生成一个新 token。若不加优化，第 \(t\) 步需要重新计算前 \(t-1\) 个位置的 \(K\) 和 \(V\) 矩阵，导致大量重复计算。

KV Cache 的核心思想是利用注意力计算的增量特性：对于已生成的历史 token，其 \(K\) 和 \(V\) 向量在后续步骤中保持不变。因此推理时在每一层维护一个缓存结构，逐步追加新 token 的键值对。第 \(t\) 步的计算流程简化为：

仅为当前 token 计算 \(Q_t\)、\(K_t\)、\(V_t\)
将 \(K_t\) 和 \(V_t\) 追加到缓存的末尾
用 \(Q_t\) 对完整的 \(K_{1:t}\) 和 \(V_{1:t}\) 执行一次注意力操作

这一机制将时间复杂度从每步 \(\mathcal{O}(t \cdot D)\) 的键值计算降至 \(\mathcal{O}(D)\)，显著减少计算量和内存带宽消耗。

二、KV Cache 的内存结构与规模分析

设模型具有 \(L\) 层、隐藏维度 \(D\)、注意力头数 \(h\)（单头维度 \(d_h = D/h\)），推理批量大小为 \(B\)，当前序列长度为 \(T\)。在标准的多头注意力（MHA）中，每一层缓存的形状为：

\[K: [B, h, T, d_h], \quad V: [B, h, T, d_h] \]

全模型的 KV Cache 总量为 \(2 \cdot B \cdot L \cdot h \cdot T \cdot d_h = 2BLTD\) 个浮点数。以 LLaMA-7B 为例（\(L=32\)，\(D=4096\)，单精度浮点），生成长度 \(T=2048\) 时，单个样本的 KV Cache 约占用 1GB 显存。这一规模随序列长度和批量大小线性增长，成为长文本生成和高并发推理的主要瓶颈。

需要明确的是，KV Cache 存储的是经过线性投影后的连续向量表示，其规模与词表大小无关。缓存的增长完全由历史生成步数 \(T\) 驱动，这也是长上下文场景下显存压力剧增的根源。

三、从 MHA 到 GQA/MQA：注意力头的冗余与共享

标准 MHA 为每个查询头配备独立的键值头，这在训练阶段有助于学习多样化的注意力模式。然而在推理场景中，这种设计带来两个问题：

显存与带宽压力 ：KV Cache 规模与头数 \(h\) 成正比，限制了批量大小和上下文长度。

键值冗余 ：实证研究表明，不同注意力头学到的键值表示存在高度相关性，维持 \(h\) 份独立副本的必要性存疑。

多查询注意力（MQA）通过极端共享来解决这一问题：所有查询头共用单一的键值头（\(g=1\)）。此时缓存形状变为 \([B, 1, T, d_h]\)，规模直接缩减至原来的 \(1/h\)。分组查询注意力（GQA）采用折中策略，将 \(h\) 个查询头分为 \(g\) 组（\(1 < g < h\)），每组共享一对键值头。缓存规模降为 \(2BLTD \cdot (g/h)\)。

这一演进的数学基础在于键值投影矩阵的参数压缩。MHA 具有 \(h\) 个独立的 \(W_K^{(i)}\) 和 \(W_V^{(i)}\)（\(i=1,\ldots,h\)），而 GQA 仅保留 \(g\) 个键值投影，每个服务 \(h/g\) 个查询头。通过适当的训练策略（如从 MHA 检查点初始化后短暂微调），模型可以在保持大部分性能的前提下，大幅降低推理成本。

四、工程实践中的关键考量

量化与压缩：将 KV Cache 从 FP16 量化至 INT8 或 FP8 可进一步减半显存占用，配合动态缩放技术，精度损失通常在 1% 以内。

分页管理：借鉴操作系统的虚拟内存思想，vLLM 等框架将 KV Cache 切分为固定大小的块（如 16 个 token），动态分配物理显存，显著提升显存利用率和批处理吞吐。

卸载与重算：对超长上下文，可将早期 token 的 KV 缓存卸载至 CPU 内存，或在访问时按需重算。前者适用于内存充裕场景，后者在内存受限但计算资源充足时更优。

架构选择指南 ：通用高吞吐场景优先采用 GQA（\(g \in \{2, 4, 8\}\)），平衡质量与效率；边缘部署或极限长上下文场景考虑 MQA；训练主导的应用保持 MHA 或较大的 \(g\) 值以充分利用模型容量。

五、面试高频问题解析

Q1：为什么只缓存 K 和 V，不缓存 Q？

查询向量 \(Q_t\) 仅在第 \(t\) 步与历史键值交互时使用，后续步骤不再需要。而 \(K_t\) 和 \(V_t\) 需要被未来所有步骤访问，必须持久化保存。这是注意力计算的非对称性导致的自然结果。

Q2：KV Cache 如何影响模型的并行性？

训练时的数据并行和张量并行不受影响，KV Cache 仅在推理阶段激活。在张量并行部署中，每个 GPU 存储 \(h/N\) 个头的键值缓存（\(N\) 为并行度），通信仅发生在最终的输出聚合阶段，缓存本身不跨卡传输。

Q3：GQA 的分组数 \(g\) 如何确定？

需要在实验中平衡性能与效率。常见实践是设定 \(g\) 为 \(h\) 的约数（如 \(h=32\) 时取 \(g \in \{4, 8\}\)），使每组查询头数相等。元研究表明，\(g \geq 4\) 时性能下降通常小于 2%，而显存节省达 75% 以上。

Q4：KV Cache 与 FlashAttention 是什么关系？

两者解决不同层面的问题。FlashAttention 通过分块计算和 IO 优化降低显存峰值和访问次数，在训练和推理中均有效。KV Cache 专注于推理阶段的增量计算优化。实际部署中两者通常结合使用，FlashAttention 负责单步注意力的高效执行，KV Cache 负责跨步的状态管理。

Q5：如何处理动态批处理中不同样本的序列长度差异？

采用 padding + mask 机制：将批内样本对齐到最大长度，通过 attention mask 屏蔽无效位置。现代框架（如 vLLM）进一步使用 PagedAttention，为每个样本独立分配块，避免 padding 浪费显存。批处理调度器会动态组合长度相近的请求，最大化硬件利用率。

六、总结与展望

KV Cache 是 Transformer 自回归推理的关键优化技术，通过缓存历史键值对将重复计算转化为内存查表，显著降低推理延迟。其内存开销随序列长度和头数线性增长，自然催生了 MQA 和 GQA 等共享机制。这一演进本质上是在模型表达能力与工程效率之间寻找最优平衡点。

随着上下文窗口扩展至百万 token 级别，KV Cache 的优化仍是活跃研究领域。未来的方向包括基于重要性的选择性缓存、低秩分解压缩、以及与检索增强生成（RAG）的深度融合。理解 KV Cache 的设计原理，是掌握大语言模型推理系统的必经之路。