LightLLM：纯Python超轻量高性能LLM推理框架
作者： AINLP 来源： AINLP
作者：模型工具链团队
单位：商汤科技研究院 & 北航
**项目地址：**https://github.com/ModelTC/lightllm
随着ChatGPT的火爆出圈，大语言模型受到越来越多的关注。这类模型的出现极大的提高了人们的工作效率，然而，如何低成本、高吞吐的将参数量动辄千亿的模型部署到各类服务器上，成为将技术进一步大范围推广的关键。为了提高大模型服务的吞吐量，同时让更多感兴趣的人快速上手参与其中，一个轻量化的LLM推理服务框架LightLLM应运而生。LightLLM引入了一种更细粒度的kv cache管理算法 TokenAttention，并设计了一个与TokenAttention高效配合的Efficient Router调度实现。在TokenAttention 和 Efficient Router的相互作用下，LightLLM在大部分场景下都能获得比vLLM 和 Text Generation Inference 得到更高的吞吐，部分场景下可以得到4倍左右的性能提升。LightLLM灵活、易用、高效，感兴趣的同学不妨点开上方项目链接上手一试。****
LLM Serving的挑战
大语言模型由于其出色的对话性能受到了研究人员的广泛关注，其中比较有代表性的模型结构有BLOOM, LLaMA等。这些模型不仅可以和人类进行日常对话，同时可以帮助人们完成一些生产工作，提高工作效率。然而，虽然这些模型已经表现出来了卓越的性能，但是部署大模型提升服务性能，存在以下挑战：
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显存碎片化严重：几十乃至上百GB的网络权重以及推理时不断动态产生的KV Cache，极易造成显存利用率低的问题。
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请求调度效率低：请求的长度随时间动态变化，易造成GPU空转或是利用率低的问题。
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kernel定制化难度高：为了高效利用显存，提高服务吞吐量，需要为网络定制化cuda c kernel，对于普通研究员来说，难度较高。
已有的解决方案和问题
为了应对以上挑战，目前目前涌现了很多优秀的LLM推理框架，例如FasterTransformer，Text-Generation-Inference(简称TGI)，vLLM等。他们的核心feature和能力矩阵如下表所示：
框架NV Triton + FasterTransformerTGIvLLMLightLLM
核心feature 算子高效，静态速度快 Continuous Batch，流式推理 PageAttention 三进程架构，Token Attention，Efficient Router
显存碎片化 低 高 低 低
请求调度效率 低 中 中 高
kernel定制化难度 高 中 中 低
这些推理框架都具有自己独特的特色，如 FasterTransformer 具有优秀的静态推理性能，但是没有良好的服务调度处理功能，并且主体用C++开发而成，二次开发成本较高。TGI 具有优秀的服务接口和服务调度特性如 Continuous Batch，但是推理性能，调度策略，显存管理亦有缺憾。vLLM显存管理优秀，但是请求调度效率不高，且整体实现细节更适合于小模型的部署。
LightLLM
因此，为了解决这些问题，我们开发了一套基于纯Python语言的大模型推理部署框架LightLLM，方便研究员进行轻量级的本地部署和定制修改，用于快速扩展对不同模型的支持，吸纳层出不穷的优秀开源特性，探索最优服务架构。LightLLM的核心feature如下：
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三进程架构，主要用于异步化处理 tokenize 和 detokenize操作， 可以避免这些耗时的cpu处理阻碍模型推理时gpu的调度执行，降低gpu的使用率，进而降低了整体服务性能。
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Token Attention，一种以Token为粒度进行kv cache 显存管理的特性，并实现了高性能的管理方法。
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Efficient Router，配合 Token Attention 用于精确的管理调度请求的合并推理。
配合基于OpenAI Triton 开发的与服务调度高度配合的高效算子，LightLLM实现了优秀的吞吐性能。
Token Attention
目前的大语言模型都是基于transformer架构的，且对问题的回复是通过自回归解码逐token产生的。为了快速的生成下一个token，这些模型会把自回归解码的过程中会把历史上下文token在注意力模块产生的key和value缓存到GPU中，以便于能快速的生成下一个token。这些缓存会占据大量的显存空间，且由于每个问题的长短不一，其大小也是高度变化和不可预测的，如果没有合理的显存管理手段，这将会显存碎片化严重，造成极大的显存浪费。
因此我们设计了一种以Token为粒度进行kv cache 显存管理的注意力计算方法 TokenAttention，并实现了高性能的算子和高效的显存申请释放方式。TokenAttention的计算过程如下图所示：
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具体地，在模型初始化时，系统根据用户设置的 max_total_token_num 预先分配 KV Cache，并创建 Token Table 来记录输入 token 的实际存储位置。其中，max_total_token_num为部署环境的硬件显存一次最多能容纳的token总量。
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当请求到来时，系统首先检查预分配的Token Cache中是否有可用的连续空间用于存储请求的KV 缓存。系统倾向于为请求分配连续的显存，以最大限度地减少推理过程中的访存时间，仅当连续空间不足时，才会为请求分配非连续显存。分配的空间会记录到Token Table中，以便于后续的注意力计算。
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对于自回归过程新生成的 token 的缓存，仅需从预先分配的 Token 缓存中找到未使用的空间，并将相应的记录添加到 Token Table 中即可。
为了高效的进行Cache的分配和释放， 我们利用torch Tensor在GPU上的并行计算特性来对预分配的Token Cache 的状态进行管理，首先是状态定义
self.mem_state = torch.ones((size,), dtype=torch.bool, device="cuda")
self._mem_cum_sum = torch.empty((size,), dtype=torch.int32, device="cuda")
self.indexes = torch.arange(0, size, dtype=torch.long, device="cuda")
self.can_use_mem_size = size
其中 mem_state 是使用状态数组，1为未使用，0为已经使用。_mem_cum_sum数组用于mem_state的累加和，以此用于高效的筛选出未使用的空间，用于cache的分配，分配过程如下：
torch.cumsum(self.mem_state, dim=0, dtype=torch.int32, out=self._mem_cum_sum)
select_index = torch.logical_and(self._mem_cum_sum <= need_size, self.mem_state == 1)
select_index = self.indexes[select_index]
self.mem_state[select_index] = 0
self.can_use_mem_size -= len(select_index)
可以看到，我们的cahce 状态管理只在GPU上完成，充分利用了torch在GPU上的并行特性，从而使得系统能够非常高效的进行Cache空间的申请和释放。
- 对于已经完成的请求，仅需删除Token Table 中的记录，就可以完成空间的高效释放
释放代码如下：
self.can_use_mem_size += free_index.shape[0]
self.mem_state[free_index] = 1
- 由于Token Attention是以Token为粒度进行显存的管理，所以其可以做到显存空间的零浪费，且能够准确的计算出系统还能容纳多少新Token的计算。因此，配合一个高性能的Router对请求进行管理，可以在推理过程中，不断的加入新请求，充分压榨GPU的每一块显存，最大化 GPU 利用率。
Efficient Router
Router 的主要功能是管理到达的请求，并动态的判断该请求能否可以和已经在运行Batch融合到一起进行推理。这个判断的核心就是估计合并后的整个推理过程中，Token 的最大占用量是否小于可以容纳的容量，这里我们将这个最大容量设为 max_total_token_num, 由于有 Token Attention 特性的支持，我们可以精确的管理 Token 的使用量， 合理的配置可以使其永远没有发生 OOM 的风险。
如上图所示，每行代表一个请求当前的运行状态，深色代表已经运行完的历史 kv cache token， 每个格子代表一个token，灰色代表待生成的token，待生成的token数由每个请求设置的最大输出长度和已经生成的token数决定。上图中的第二行绿色格子所在的行代表一个新到达的请求，图中将所有请求按照待输出的长度进行从大到小的顺序排列。
如果我们假设将新请求融合到Batch中进行推理，那token的最大使用量必然在 时刻 Time 1， Time 2， Time 3 中某个时刻到来。我们只需要计算这三个时刻对应的token使用量都不超过 max_total_token_num, 则代表新的请求可以加入到Batch中进行融合推理。
Time 1 token 的总占用量为：黄色格子数量 + 绿色格子数量 （下图）
Time 2 token 的总占用量为：黄色格子数量 + 绿色格子数量（下图）
Time 3 token 的总占用量为：黄色格子数量（下图）
实际的 token 最大使用量，必然是 Time 1， Time 2， Time 3 其中之一。
只要保证动态推理过程中的最大token使用量 <= max_total_token_num, 说明新的请求可以进行合并Batch推理。
为了快速的计算一个Batch的所有请求需要的最大token使用量，我们利用numpy实现了一个高效的示例实现，下面是python伪代码：
import numpy as np
def demo():
max_total_token_num = 100
req_list = [(5, 4), (4, 3), (5, 3), (3, 2), (4, 2)] # (run_len, left_output_len)
req_list.sort(key=lambda x: -x[1])
left_out_len_array = np.array([e[1] for e in req_list])
has_run_len_array = np.array([e[0] for e in req_list])
cum_run_len_array = np.cumsum(has_run_len_array)
size_array = np.arange(1, len(req_list) + 1, 1)
need_max_token_num = (left_out_len_array * size_array + cum_run_len_array).max()
if need_max_token_num <= max_total_token_num:
print("ok")
else:
print("oom")
性能表现
我们在数据集ShareGPT_Vicuna_unfiltered上和目前主流的推理框架 TGI，NV Triton + FasterTransformer以及vLLM进行了性能对比，结果如下图所示。可以看到，LightLLM在不同大小的模型下都获得了更高的吞吐量。TGI由于显存碎片化严重，所以很难达到较高的吞吐量。vLLM因引入了PageAttention，但是由于整体实现细节更利于小模型推理，所以在大模型上的并发性能并不是十分理想（使用的默认配置）。相比之下，LightLLM则可以在各种大小的模型下都保持稳健的性能，在大模型上（LLaMA-65B）相对TGI和vLLM实现了3倍左右的2提升。
TGI兼容&消融分析： 为了进一步验证TokenAttention和Router的有效性，我们同样将这些特性接入到了TGI中，来改善其显存碎片化的问题，结果如下图（左）所示。可以看到，在引入TokenAttention以及Router以后，可以给原始TGI带来4倍以上的性能提升。
长短不齐请求情况下的提升 ：从下图（左）中可以发现，Router的引入并未带来较为明显的性能提升，这是由于ShareGPT_Vicuna_unfiltered的数据集问题长短差异并不显著，为此我们构建了一个问题差异更大的请求集合，对我们的Efficient Router的性能进行了验证，结果如下图（右）所示。可以看到，我们的高性能Router可以更好的利用GPU资源，在问题长度差异很大的请求下，可以带来近50%的性能提升。
左图展示了LightLLM和TGI的兼容效果以及消融分析，右图展示了我们的Efficient Router在长短不齐请求下的提升
####未来和展望
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支持更多的模型
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router 调度提升
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高性能的 int8 int4 weight only 支持以及int8 kv cache
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全量化模型
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混合精度模型
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模型稀疏化
LightLLM致力于让更多人参与进来，能够灵活、高效的探索各种LLM部署和推理方案，同时可以使硬件厂商有所借鉴，以推动领域的发展，希望大家可以多多star → fork → contribute。相信未来也会涌现出更多技术和解决方案（如TensorRT等），持续压低部署成本，让AGI更快的迈入平常百姓家。
项目地址：https://github.com/ModelTC/lightllm
参考文献
[1] OpenAI Triton. https://github.com/openai/triton
[2] Faster Transformer: https://github.com/NVIDIA/FasterTransformer
[3] Text Generation Inference: https://github.com/huggingface/text-generation-inference/
[4] vLLM: https://github.com/vllm-project/vllm
[5] Flash Attention: https://github.com/Dao-AILab/flash-attention/
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