LLM推理提速2.8倍，CMU提出投机式推理引擎，小模型撬动大模型高效推理

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近日，来自卡耐基梅隆大学（CMU）的 Catalyst Group 团队发布了一款「投机式推理」引擎 SpecInfer，可以借助轻量化的小模型来帮助大模型，在完全不影响生成内容准确度的情况下，实现两到三倍的推理加速。

随着 ChatGPT 的出现，大规模语言模型（LLM）研究及其应用得到学术界和工业界的广泛关注。一方面，开源的 LLM 模型不断涌现，比如 OPT、BLOOM、LLaMA 等，这些预训练模型的推出极大地促进了 LLM 的相关研究，使得 LLM 可以被应用于解决愈发复杂的实际问题。利用这些开源模型，快速构建一套基于 LLM 的应用服务已经变得愈发容易，但 LLM 面临着高昂的计算和存储需求，其成本也令人望而却步。

另一方面，以羊驼家族（如 Alpaca、Vicuna、Guanaco）为代表的，经过微调或蒸馏的小型化 LLM 也成为了当下的研究焦点之一，在多项测评中都展现出了优异的表现；此外，以 Quantization、LoRA、Offloading 为代表的多项系统优化技术使得以更低的资源需求部署这些 LLM 成为可能。但天下没有免费的午餐，有关证据表明 [1]，这些小型化的 LLM 以及面向低资源场景的系统优化技术往往都会带来模型质量的下降，影响最终应用的效果。

因此，如何在保证模型输出质量的前提下，让 LLM 推理变得高效和廉价，已经成为了 MLSys 领域非常重要的研究问题。近日，来自卡耐基梅隆大学（CMU）的 Catalyst Group 团队发布了一款「投机式推理」引擎 SpecInfer，可以借助轻量化的小模型来帮助大模型，在完全不影响生成内容准确度的情况下，实现两到三倍的推理加速。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2305.09781

项目链接：

https://github.com/flexflow/FlexFlow/tree/inference

论文作者之一、CMU 助理教授 Zhihao Jia 表示：「生成式大规模语言模型不仅推理效率低下而且部署成本很高；它们小型化的版本具有速度和价格上的优势，但是也会影响生成内容的质量；而 SpecInfer 可以实现这两方面的双赢。」

同样来自 CMU Catalyst Group 的助理教授 Tianqi Chen 也表示：「SpecInfer 可以适用于云上的 LLM 部署等场景，让 LLM 推理更加可扩展。」

研究现状

目前 LLM 推理主要依赖于自回归式（auto-regressive）的解码（decoding）方式，每步解码只能够产生一个输出 token，并且需要将历史输出内容拼接后重新作为 LLM 的输入，才能进行下一步的解码。考虑到这种数据依赖，现有 LLM 推理系统如 FasterTransformer 会采用一种增量式解码（incremental decoding）技术，将已经解码的 token 对应的 key/value 进行缓存，避免重新计算。

但是，这类系统仍然面临两个关键的缺陷：1）由于逐 token 计算的解码范式，算子并行度有限，GPU 硬件资源难以被充分利用；2）当序列过长时，KV-cache 空间消耗过大，有限的 GPU 显存无法承载。因此，当面对超大规模的 LLM 推理时（如 GPT-4 32K tokens），现有系统往往面临资源利用低效，推理延迟过高的问题。

▲ Incremental Decoding示意图

为了解决上述问题，研究者提出了一种「投机式」推理引擎 SpecInfer，其核心思想是通过计算代价远低于 LLM 的 “小模型” SSM（Small Speculative Model）替代 LLM 进行投机式地推理（Speculative Inference），每次会试探性地推理多步，将多个 SSM 的推理结果汇聚成一个 Speculated Token Tree，交由 LLM 进行验证，通过高效的树形解码算子实现并行化推理，验证通过的路径将会作为模型的推理结果序列，进行输出。

总体上来说，SpecInfer 利用了 SSM 的内在知识帮助 LLM 以更低廉的计算成本完成了主要的推理过程，而 LLM 则在一定程度上破除了逐 token 解码的计算依赖，通过并行计算确保最终输出的结果完全符合原始的推理语义。

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▲ SpecInfer工作流程

系统设计

▲ SpecInfer系统架构

可学习推测器（Learning-based Speculator）

Speculator 的主要作用是利用 SSM 快速产生对 LLM 未来输出的推测结果，SSM 可以是（微调后）小版本的 LLM（如 LLaMA 7B），也可以是量化或蒸馏的小规模 LLM，还可以是可供检索的知识库（如参考文本）亦或是用户的自定义函数。总之，SSM 的输出结果越接近 LLM，验证时才会更容易通过，整体的推理效率才会更高。

为此，SpecInfer 引入集成学习的思想，将多个 SSM 的结果融合，提高输出的差异化程度。为了尽可能提高匹配率，Speculator 提出了 Collective Boost-Tuning 方法，即在一个公开的通用数据集（如 OpenWebText）上，从一个较弱的 SSM 开始进行微调，将匹配程度较低的序列不断从数据中过滤，交由新的 SSM 来学习，持续多次，提高整体的推测质量；此外，Speculator 还引入了一个可学习的调度器（scheduler）来决定选用哪些 SSM 以获得更长的匹配序列长度。

Token树验证器（Token Tree Verifier）

SSM 的推理速度优势是 SpecInfer 能够加速推理的前提，但另一个不可或缺的因素就是 LLM 对并行化推理的支持。在 SpecInfer 中，LLM 并不直接作为推理引擎产生输出 token，但是它需要对 Speculator 中 SSM 产生的 token 进行验证，确保输出内容符合 LLM 的推理语义。

在 SpecInfer 中，SSM 产生的输出序列会被组织成 token tree 的树形结构，避免冗余的存储开销。为了能够在 token tree 上进行并行化的验证，SpecInfer 提出了一种树形注意力（Tree Attention）计算方法，通过构造的 mask 矩阵和基于深度优先的 KV-cache 更新机制，Verifier 可以在不增加额外存储的同时，尽可能并行化树中每一条路径的解码过程。相比于朴素的逐序列或逐 Token 的解码方式，树形解码可以同时在内存开销和计算效率上达到最优。

▲ Tree-based Decoding示意图

大规模LLM和小规模SSM协同工作

▲ Speculative Inference执行Timeline对比

大规模的 LLM 在参数量上通常可以达到小规模 SSM 的几十倍甚至上百倍，而 SSM 相比于 LLM，在推理速度上，基于通常的系统实现，也有数倍到数十倍的性能优势，SpecInfer 结合了 SSM 极低的推理延迟以及 LLM 的并行验证能力，大幅降低了较为耗时的 LLM 推理次数，最终可以在保证推理结果质量的情况下显著提升模型推理速度。

系统实现

SpecInfer 基于 FlexFlow 系统实现，支持用户自定义模型结构，导入模型参数，兼容主流深度学习框架的 operator 或 layer 抽象，现已支持常规的 GPT、LLaMA 等多种主流基础模型。值得注意的是，FlexFlow 是一款面向分布式场景的深度学习系统，由来自 CMU、Stanford、MIT、NVIDIA 等机构的研究人员共同维护，是机器学习系统领域最早提出 “自动并行” 的工作之一 (MLSys’19, ICML’18) [2,3]，也是最早将计算图优化以及自动并行优化集成进行联合优化的工作 (Unity, OSDI’22) [4]。

借助于 FlexFlow 的自动并行能力，SpecInfer 可以自动完成大规模 LLM 的最优分布式部署。与此同时，SpecInfer 还可以支持 Offloading 操作，以较低的成本扩展模型的规模。SpecInfer 通过独特的「投机式推理」机制，可以大幅降低 LLM 所需的推理步数，从而减小分布式场景的网络通信开销，缓解 Offloading 场景下的 PCIe 传输带宽瓶颈。

实验结果

▲ 端到端推理延迟

端到端实验：使用 LLaMA-7B 作为 LLM，LLaMA-160M 作为 SSM，在五个对话数据集上进行了测试，相比于依赖于增量式解码的 LLM，SpecInfer 可以使推理延迟降低 1.9-2.8 倍。

▲ 单次推理平均步长（LLM：OPT-13B + SSMs：OPT-125M）

▲ 单次推理平均步长（LLM：LLaMA-7B + SSMs：LLaMA-160M）

匹配长度测试：分别使用 OPT 和 LLaMA 系列模型，测试 SpecInfer 中 LLM 的平均验证通过序列长度，可以看出，随着 SSM 数量的提升，在各个对话数据集上，LLM 的验证通过长度均会得到提升，以 5 个 SSM 为例，OPT 和 LLaMA 在 5 个数据集上平均可达 3.68 和 2.67，相比于仅使用单一 SSM，分别提升 26.4% 和 24.8%。

更多更详细的实验结果可以参考论文原文：

https://arxiv.org/abs/2305.09781

总结

SpecInfer 是首个基于「推测式解码」的分布式 LLM 推理引擎，通过集成多个小模型，以及基于 token tree 的原创系统实现优化，可以帮助现有的主流 LLM 减少内存访问需求，实现两到三倍的无损推理加速，大幅降低推理成本。

作者介绍

SpecInfer 项目的指导老师是 Zhihao Jia，他目前在卡耐基梅隆大学计算机学院担任助理教授。他的研究兴趣主要包括面向机器学习、量子计算以及大规模数据分析的系统研究。此前他曾毕业于清华大学的姚班，博士毕业于 Stanford 大学，师从 Alex Aiken 和 Matei Zaharia，曾获 Stanford Arthur Samuel Best Doctoral Thesis Award，NSF CAREER Asward 以及来自 Amazon, Google, Meta, Oracle, 以及 Qualcomm 的多项研究奖项，个人主页：https://www.cs.cmu.edu/~zhihaoj2/。

孵化 SpecInfer 项目的主要是 CMU 的 Catalyst Group 实验室，该实验室由 Zhihao Jia 与 Tianqi Chen（陈天奇）在 CMU 共同主持，致力于集成来自于机器学习算法、系统、硬件等多方面的优化技术，构造自动化的机器学习系统。此前，该实验室还推出了 MLC-LLM [5] 等开源项目，推进 LLM 大模型相关系统的研究和应用。实验室主页：https://catalyst.cs.cmu.edu。

论文的共同一作分别是 Xupeng Miao（博士后研究员），Gabriele Oliaro（博一）以及 Zhihao Zhang（博一），均来自于 CMU Catalyst Group 团队。其中，Xupeng Miao 博士毕业于北京大学，主要研究方向包括机器学习系统、数据管理和分布式计算，曾获 VLDB2022 最佳可扩展数据科学论文奖、2022 年 ACM 中国优博奖、2022 年世界人工智能大会（WAIC）云帆奖等荣誉，个人主页：https://hsword.github.io。

参考文献

[1] Gudibande, A., Wallace, E., Snell, C., Geng, X., Liu, H., Abbeel, P., Levine, S., & Song, D. (2023). The False Promise of Imitating Proprietary LLMs.

[2] Jia, Z., Lin, S., Qi, C. R., & Aiken, A. (2018, July). Exploring Hidden Dimensions in Parallelizing Convolutional Neural Networks. In ICML (pp. 2279-2288).

[3] Jia, Z., Zaharia, M., & Aiken, A. (2019). Beyond Data and Model Parallelism for Deep Neural Networks. Proceedings of Machine Learning and Systems, 1, 1-13.

[4] Unger, C., Jia, Z., Wu, W., Lin, S., Baines, M., Narvaez, C. E. Q., ... & Aiken, A. (2022). Unity: Accelerating {DNN} Training Through Joint Optimization of Algebraic Transformations and Parallelization. In 16th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 22) (pp. 267-284).

[5] https://github.com/mlc-ai/mlc-llm

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