大模型中的KV Cache

1. KV Cache的定义与核心原理

KV Cache（Key-Value Cache）是一种在Transformer架构的大模型推理阶段使用的优化技术，通过缓存自注意力机制中的键（Key）和值（Value）矩阵，避免重复计算，从而显著提升推理效率。

原理：

• 自注意力机制：在Transformer中，注意力计算基于公式：
  $$\begin{array}{rl}\text{Attention}(Q,K,V)& =\text{softmax}\left(\frac{Q{K}^{\top }}{\sqrt{d_k}}\right)V\\ & =\sum _{i=1}^n{w}_i{v}_i\text{（加权求和形式）}\end{array}$$
  其中，Q（Query）、K（Key）、V（Value）由输入序列线性变换得到。

• 缓存机制：在生成式任务（如文本生成）中，模型以自回归方式逐个生成token。首次推理时，计算所有输入token的K和V并缓存；后续生成时，仅需为新token计算Q，并从缓存中读取历史K和V进行注意力计算。

• 复杂度优化：传统方法的计算复杂度为O(n²)，而KV Cache将后续生成的复杂度降为O(n)，避免重复计算历史token的K和V。

2. KV Cache的核心作用

• 加速推理：通过复用缓存的K和V，减少矩阵计算量，提升生成速度。例如，某聊天机器人应用响应时间从0.5秒缩短至0.2秒。

• 降低资源消耗：显存占用减少约30%-50%（例如移动端模型从1GB降至0.6GB），支持在资源受限设备上部署大模型。

• 支持长文本生成：缓存机制使推理耗时不再随文本长度线性增长，可稳定处理长序列（如1024 token以上）。

• 保持模型性能：仅优化计算流程，不影响输出质量。

3. 技术实现与优化策略

实现方式：

• 数据结构

  1. KV Cache以张量形式存储，Key Cache和Value Cache的形状分别为(batch_size, num_heads, seq_len, k_dim)和(batch_size, num_heads, seq_len, v_dim)。

• 两阶段推理：

  1. 初始化阶段：计算初始输入的所有K和V，存入缓存。
  2. 迭代阶段：仅计算新token的Q，结合缓存中的K和V生成输出，并更新缓存。
     • 代码示例（Hugging Face Transformers）：设置model.generate(use_cache=True)即可启用KV Cache。

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优化策略：

• 稀疏化（Sparse）：仅缓存部分重要K和V，减少显存占用。

• 量化（Quantization）：将K和V矩阵从FP32转为INT8/INT4，降低存储需求。

共享机制（MQA/GQA）：

• Multi-Query Attention (MQA)：所有注意力头共享同一组K和V，显存占用降低至1/头数。

• Grouped-Query Attention (GQA)：将头分组，组内共享K和V，平衡性能和显存。

4. 挑战与局限性

• 显存压力：随着序列长度增加，缓存占用显存线性增长（如1024 token占用约1GB显存），可能引发OOM（内存溢出）。

• 冷启动问题：首次推理仍需完整计算K和V，无法完全避免初始延迟。

5、python实现

import torch
import torch.nn as nn# 超参数
d_model = 4
n_heads = 1
seq_len = 3
batch_size = 3# 初始化参数（兼容多头形式）
Wq = nn.Linear(d_model, d_model, bias=False)
Wk = nn.Linear(d_model, d_model, bias=False)
Wv = nn.Linear(d_model, d_model, bias=False)# 生成模拟输入（整个序列一次性输入）
input_sequence = torch.randn(batch_size, seq_len, d_model)  # [B, L, D]# 初始化 KV 缓存（兼容多头格式）
kv_cache = {"keys": torch.empty(batch_size, 0, n_heads, d_model // n_heads),  # [B, T, H, D/H]"values": torch.empty(batch_size, 0, n_heads, d_model // n_heads) 
}# 因果掩码预先生成（覆盖最大序列长度）
causal_mask = torch.triu(torch.ones(seq_len, seq_len), diagonal=1).bool()  # [L, L]'''
本循环是将整句话中的token一个一个输入，并更新KV缓存；
所以无需显示的因果掩码，因为因果掩码只用于计算注意力权重时，而计算注意力权重时，KV缓存中的key和value已经包含了因果掩码的信息。'''for step in range(seq_len):# 1. 获取当前时间步的输入（整个批次）current_token = input_sequence[:, step, :]  # [B, 1, D]# 2. 计算当前时间步的 Q/K/V（保持三维结构）q = Wq(current_token)  # [B, 1, D]k = Wk(current_token)  # [B, 1, D]v = Wv(current_token)  # [B, 1, D]# 3. 调整维度以兼容多头格式（关键修改点）def reshape_for_multihead(x):return x.view(batch_size, 1, n_heads, d_model // n_heads).transpose(1, 2)  # [B, H, 1, D/H]# 4. 更新 KV 缓存（增加时间步维度）kv_cache["keys"] = torch.cat([kv_cache["keys"], reshape_for_multihead(k).transpose(1, 2)  # [B, T+1, H, D/H]], dim=1)kv_cache["values"] = torch.cat([kv_cache["values"],reshape_for_multihead(v).transpose(1, 2)  # [B, T+1, H, D/H]], dim=1)# 5. 多头注意力计算（支持批量处理）q_multi = reshape_for_multihead(q)  # [B, H, 1, D/H]k_multi = kv_cache["keys"].transpose(1, 2)  # [B, H, T+1, D/H]print("q_multi shape:", q_multi.shape)print("k_multi shape:", k_multi.shape)# 6. 计算注意力分数（带因果掩码）attn_scores = torch.matmul(q_multi, k_multi.transpose(-2, -1)) / (d_model ** 0.5)print("attn_scores shape:", attn_scores.shape)# attn_scores = attn_scores.masked_fill(causal_mask[:step+1, :step+1], float('-inf'))# print("attn_scores shape:", attn_scores.shape)# 7. 注意力权重计算attn_weights = torch.softmax(attn_scores, dim=-1)  # [B, H, 1, T+1]# 8. 加权求和output = torch.matmul(attn_weights, kv_cache["values"].transpose(1, 2))  # [B, H, 1, D/H]# 9. 合并多头输出output = output.contiguous().view(batch_size, 1, d_model)  # [B, 1, D]print(f"Step {step} 输出:", output.shape)