LLM 中增量解码与模型推理解读

在【LLM】LLM 中 token 简介与 bert 实操解读一文中对 LLM 基础定义进行了介绍，本文会对 LLM 中增量解码与模型推理进行解读。

一、LLM 中增量解码定义

增量解码（Incremental Decoding）是指在自回归文本生成过程中，模型每次只计算并生成一个新的 token，并且会利用之前计算得到的中间结果，而不需要重新计算整个序列的表示，以此来提高生成效率和减少计算资源消耗。

在 GPT 系列模型生成对话回复、文章续写等场景中广泛应用了增量解码。

二、增量解码工作过程

1. 初始输入：在生成文本时，首先输入一个初始的文本序列（比如一个问题或者提示词 ），模型通过 Prefill 阶段计算这个初始序列的隐藏状态，同时生成并缓存与注意力机制相关的键（Key）和值（Value）矩阵，即 KV 缓存（KV Cache） 。
2. 逐个生成 token：接下来进入解码阶段，模型会基于上一步生成的 token 和缓存的 KV 矩阵，计算当前位置的隐藏状态，然后预测下一个 token。例如，在生成第一个 token 后，将其与之前缓存的 KV 矩阵结合，计算得到第二个 token 的隐藏状态，进而预测第二个 token 。每生成一个新的 token，模型就更新相关的计算状态，但不需要重新计算整个输入序列的隐藏状态，只是在之前计算结果的基础上增量式地进行计算。
3. 循环直至结束：重复上述步骤，直到达到预设的结束条件，比如生成了特定的结束标记、达到了最大文本长度限制或者满足了其他停止生成的条件 。 总之，增量解码通过复用计算结果和 KV 缓存，可以有效提升自回归模型文本生成的效率和性能。

注意：当 KV cache 的长度超出阈值（例如 1024KB）会进行清理，清理策略取决于大模型的处理策略，有滑动窗口（清理最早的）和全部清理等。

三、新 token 选择

模型在生成新 token 时，从可能的下一个词表（token）中选择一个特定的词。词表中有多个词，词的个数可以理解为 vocab size，其中每个位置的大小表示选取这个 token 的概率，如何基于这个信息选择合适的 token 作为本次生成的 token。

• 贪婪采样（Greedy Sampling） 在每一步，模型选择概率最高的词作为下一个词。这种方法快速且计算成本低，但它可能导致重复。
• 随机采样（Random Sampling） 模型根据概率分布随机选择下一个词。这种方法能够引入随机性，从而生成更多样化的文本。但是，随机性也可能导致文本质量下降，因为模型可能选择低概率但不相关的词。
• Top-k 采样（Top-k Sampling） 这种方法首先选择 k 个最可能的词，然后从这个子集中随机选择下一个词。这种方法旨在平衡贪婪采样的确定性和随机采样的多样性。

四、Prompt（提示词）

Prompt 是用户与 LLM 交互的入口，Prompt 进入 Prefill 阶段处理，并成为生成后续内容的“上下文语境”。其核心作用是引导模型生成特定类型、风格或内容的输出。简单来说，Prompt 就是你告诉模型 “要做什么” 的一段话。

在大模型推理中，Prompt 是用户与模型交互的起点，它在 Prefill 阶段被模型处理，作为生成后续内容的基础。例如：

Prompt: "请写一首关于秋天的诗。"

LLM 根据此提示生成对应内容。

设计优质 Prompt 是激发 LLM 能力的关键，需要明确任务、约束条件和期望输出，例如：明确任务指令/给出格式规范/提供上下文例子

五、模型推理：Prefill 与 Decode

参考链接：https://blog.csdn.net/firehadoop/article/details/146341556

LLM 推理分为两个阶段：

1. Prefill 阶段（批量处理）

• 输入 token 序列一次性通过所有层。
• 并行计算生成每个 token 的 Key-Value （KV） 缓存，用于后续的高效生成。

1. Decode 阶段（自回归处理）

• 每次生成一个新 token，需要经过模型所有层。
• 依赖 Prefill 阶段生成的 KV 缓存。
• 推理过程是串行的，需等待前一个 token 生成完毕。

通过 KV Cache，避免了重复计算，提高生成效率。

prefill 与 decode 的关系类似于接力赛：Prefill 阶段跑完第一棒，然后 Decode 阶段接过接力棒，一个接一个地完成余下的路程。

以查询 “介绍一下爱因斯坦” 为例，其核心流程如下：

5.1 初始化阶段（Prefill）

• 输入完整 prompt：“介绍一下爱因斯坦”
• 模型处理输入并生成初始 KV 缓存（存储注意力机制的键值对）
• 生成第一个输出 token：“爱”

5.2 循环迭代解码阶段（Deocde）

• 关键机制：每次循环仅处理单个新 token，复用之前缓存的 KV 矩阵，计算复杂度从 O（N^2） 降至 O（N）。
• 输出连贯性：新 token 的生成依赖于历史所有 token （原始输入+已生成内容）的语义信息，确保上下文逻辑一致。

5.3 小结

未来会再介绍 LLM 中评价指标与训练部署～

六、MoE 简介

一般来说，一个 MoE layer 包含 N 个 Experts（FFN 网络）和一个 Gating Network。其中 Gating Network 可以将一个 token routing（Token 路由）到少数的专家进行计算。可参考下图：

• 把不同领域专家模型（比如数学专家 LLM、编程专家 LLM ），抽象成 “专家 Token” 塞进一个 “元模型（meta LLM）” 的词表。
• 用户输入问题时，元模型生成特殊 Token 来 “路由”（决定调用哪个专家模型 ）。比如遇到数学题，就触发 “数学专家 Token”，让数学专家 LLM 处理；遇到编程问题，调用 “编程专家 Token”。

总结：Token routing 就是给不同重要性、不同功能的 Token，规划调用不同专家模型，让大模型更聪明分配算力、协同专家能力，最终实现 “又快又准又省资源” 的推理。

从整体看，MoE 在 LLM 模型的什么位置呢？如下图：

参考 https://github.com/jingyaogong/minimind?tab=readme-ov-file

me-ov-file

[外链图片转存中…(img-yOYHNEwg-1756030828642)]

[外链图片转存中…(img-wwGuNHge-1756030828642)]

以上就是本文的全部介绍啦～