以nano-vllm和qwen3为例详解大模型推理过程

源码仅1200行纯python，十分推荐观看：

https://github.com/GeeeekExplorer/nano-vllm

1. qwen3模型结构和推理过程(prefill)

1.1 分词器

分词器的作用是将文本(str)编码为整数序列(list[int])

需要预先训练分词器来得到词汇表(vocab)，即文本到token id的映射，而词汇表大小是固定的，对于qwen3，vocab_size=151936

分词器可以是单词级(词汇表过大)，也可以是字符级(会导致编码的序列过大)

现在的主流大模型均使用BPE分词器，结合了两种方式的优点，具体而言，其将文本根据utf-8编码转换为字节序，然后统计所有字节对的频率，不断将频率最高的字节对合并构成新的词汇

这样相当于把常见的单词合并为一个词汇，不常见的还是按照字符级处理，防止词汇表过大

分词器在线示例：https://tiktokenizer.vercel.app/

例如：

1.1.1 train bpe

分词器需要训练数据预训练出词汇表:

首先初始化词汇表0-255，此时根据utf-8编码就可以编码所有文本，但是这样编码出的文本过长，所以进行字节对合并操作

例如给定文本"hello llm"，首先根据如下正则表达式分割为单词

r"""'(?:[sdmt]|ll|ve|re)| ?\p{L}+| ?\p{N}+| ?[^\s\p{L}\p{N}]+|\s+(?!\S)|\s+"""

["hello", " llm"]，得到字节对[b"he", b"el", b"ll", b"lo", b" l", b"ll", b"lm"]，此时b"ll"频率最大，将其作为新的词汇加入词汇表"ll" -> 256，同时维护合并历史merges=[b"ll"]

此时"ll"被看作整体，得到新的字节对[b"he", b"ell", b"llo", b" ll", b"llm"]，然后再根据频率合并，依次类推，得到扩展的词汇表和合并历史

1.1.2 bpe encode

对于给定的文本，还是分词为字节序，如何根据合并历史合并为不同的词汇，最后根据词汇表映射为token id

1.1.3 bpe decode

对于给定的token id，根据词汇表直接转换为字节序然后utf-8解码为文本

1.2 模型结构

经过分词器后，输入是一个Tensor[batch_size, seq_len]的张量，其中batch_size=n即n条prompt，值为token id

1.2.1 embedding

首先是embedding模块，可训练参数为Tensor[vocab_size, hidden_size]，根据token_id索引，将input序列转换为Tensor[batch_size, seq_len, hidden_size]

对于超参数hidden_size，一般又叫作d_model

embedding weight包含了文本的语义信息，例如“男人”、“女人”的向量距离更近

1.2.2 decoder layer

然后是n层decoder layer，其中包含三个模块

RMSNorm

归一化模块，相较于LayerNorm，目前主流大模型都使用了RMSNorm，因其计算量更小并且效果不差

具体公式为$rmsnorm=a_i*g_i/\sqrt{(1/d_{model})*\sum_{i=1}^{d_{model}}a_i^2+\epsilon}$

其中$g_i$是可训练参数Tensor[hidden_size]

输出维度仍然是Tensor[batch_size, seq_len, hidden_size]

这个归一化层哪里都可以放，有的模型放在attention计算前面（pre-norm）有的放在后面（post-norm），qwen3甚至在每个q和k后面也放了一层，效果不尽相同

Attention

attention模块中，有三个q、k、v权重可训练参数Tensor[hidden_size, d_q], Tensor[hidden_size, d_q], Tensor[hidden_size, d_v]

输入经过线性变换后得到q、k、v矩阵Tensor[batch_size, seq_len, d_q], Tensor[batch_size, seq_len, d_q], Tensor[batch_size, seq_len, d_v]

注意力得分计算公式为：$score=softmax(qk/\sqrt{d})$，得到张量Tensor[batch_size, seq_len, seq_len]，其中softmax计算公式为$a_i = e^{a_i-max}/\sum_{j=1}^{seq\_len}e^{a_j-max}$，一般来说如果$a_i$过大会导致指数爆炸，所以减去了$a_i$中最大值，这样得到的值相当于一个伪概率分布（指数函数将值限制在正象限，然后进行归一化处理限制在[0-1]，并且和为1)，值越大的地方表示这个token和之前某个token关联度越高

除此之外，还要加入causal mask，来限制未来信息泄露，注意causal mask必须在softmax之前加，不然结果的和不为1

然后和V做矩阵乘法，得到Tensor[batch_size, seq_len, d_v]，一般而言还会有一个output_proj可训练参数，用于将维度变换到$d\_{model}$，输出为Tensor[batch_size, seq_len, hidden_size]

ROPE

注意目前没有考虑到位置编码，其作用是让大模型捕获到位置信息，即相同单词在不同位置的含义是不一样的，传统做法是使用绝对位置编码，即在embedding层后加上绝对位置编码信息，但是之后的主流做法是使用旋转位置编码

关于旋转位置编码原理推荐看：https://zhuanlan.zhihu.com/p/662790439

具体而言需要一个旋转矩阵

注意这里是两两分组的，表示对向量进行位置m的旋转，将旋转矩阵分别应用到Q和K上面，这样在计算QK时就能表示相对位置信息，比如第i个token的q矩阵和第j个token的k矩阵：

$R_iq_i(R_jk_j)^T=q_iR_{i-j}k_j^T$

另外由于是稀疏矩阵，并且旋转矩阵是固定的，所以一般都会对旋转矩阵进行缓存

还是以之前的Q为例，计算过程如下

注意这里有max_positions的限制，对于超过的部分要考虑旋转位置编码的外推性，感兴趣可以看看，不再赘述

multi-head attn

之前介绍的attn计算是单头的，实际会计算多头，实际就是对d_q维度拆分为num_heads*head_dim，例如如果是两个头，那么之前的计算过程变为：

实际就是多算了个attention score，另外注意换成多头的话，ROPE会单独上给每个头

另外qwen3实际是GQA的结构，具体后续再说

Residual

attention后是一个残差连接，即x=x+attn(rms(x))，减轻深度网络训练的权重退化问题

MLP

mlp即各种线性层的变换了，对于qwen3来说，计算为：

def SiLU(x):
    x = x / (1+e^{-x})
x = (SiLU(xW_gate)+xW_up )x_down

1.2.3 output

历经n层decoder layer之后，再进行最后一层的RMSNorm归一化，得到最总的结果，而我们只需关注最后一行的结果，此时进行一次线性变换，将hidden_size扩展到vocab_size

sampling

采样时有采样温度t，如果t=0，则直接选择值最大的token，否则做缩放softmax然后添加噪声并按概率采样

1.2.4 autoregressive

得到的next token id将进行新一轮的自回归循环：

2. nano-vllm推理服务和优化(decode)

2.1 参数分析

一个token需要的kv cache大小：

2 * decode_layers * num_kv_heads * head_size * bytes

Attention计算量，计算量与头数无关：

hidden_size = num_q_heads * head_size
FLOPs = 6 * seq_len * hidden_size * hidden_size + (q k v)
        2 * seq_len * seq_len * hidden_size +     (qk)
        3 * seq_len * seq_len +                   (softmax)
        2 * seq_len * seq_len * hidden_size +     (qkv)
        2 * seq_len * hidden_size * hidden_size   (qkvo)
      = 8ND^2 + 4N^2D + 3N^2

MLP计算量：

FLOPs = 2 * seq_len * hidden_size * d_ff +
        2 * seq_len * hidden_size * d_ff +
        2 * seq_len * d_ff * hidden_size +
        4 * seq_len * d_ff
      = 6NDD_ff + 4ND_ff

ROPE计算量：

FLOPs = 4 * seq_len * hidden_size
      = 4ND

RMSNorm计算量：

FLOPs = 3ND

2.2 KV Cache

观察之前介绍的结构，由于最终结果我们只需要关注最后一行，所以实际上我们可以把中途计算的kv矩阵缓存起来，然后在decode阶段，只需要输入一个token即可（seq_len=1，关注蓝色部分）

其他模块的输入也都只要一行token输入即可，唯独attention模块中需要缓存k和v

2.3 GQA

由于decoder layer有多层，所以需要的kv缓存也较多，为了减少kv缓存，又提出了GQA、MQA

qwen3使用了GQA，将多个头的q分为一组共用k和v，减少缓存量的同时获得了和MHA相当的性能

如图将两个Q分为一组，注意参数wk和wv的维度也得到了减少：

2.4 Paged Attention

kv缓存减少了，但是实际存在kv cache怎么放的问题，如果只靠GPU分配kv缓存时会造成很多内部/外部空隙，所以vllm利用类似于操作系统的虚拟页表方式，进行kv cache的分块管理

首先会在GPU显存中开辟一个很大范围的kv cache张量Tensor[2, num_hidden_layers, num_kvcache_blocks, block_size, num_kv_heads, head_dim]

前两个维度会分配给每一层layer的k_cache/v_cache中，num_kvcache_blocks是根据显存算出来的最大块大小，block_size表示一个块里面放几个token的kv cache，num_kv_heads则表示不同头的kv cache，head_dim即最终存的kv cache

例如对于一个500tokens的输入，假设block_size=256，那么需要分配两个空闲物理块比如分配到了3、4，此时进行prefill，算出k和v矩阵后，就根据3和4存到对应的block中

prefix cache

当多个输入的prefix prompt相同时，可以进行prefix cache，这个是根据block hash计算的

例如下图，此时block2的ref为2，因为同时被seq1和seq2所使用，这个时候seq2的prefill只需要输入gh就行了，因为abcd的kv都已经算过了

2.5 Flash Attention

解决了kv cache怎么放的问题，还有kv cache怎么读的问题，因为decode阶段输入仅一个token，基本都是memory-bound的，为此提出flash attention优化访存

GPU结构

注意GPU内部结构，一个cuda kernel包含多个block，每个block内部有256个线程，一个block运行在一个SM上，调度以warp为单元进行

多个SM共享L2 Cache缓存，一个SM内部有多个SP，共享L1 Cache/Shared Memory缓存，每个SP又有自己的寄存器

所以一个block中的线程共享L1 Cache/Shared Memory，但是访问global memory的速度又远远小于访问Shared Memory的速度

解决办法就是进行矩阵分块，减少global memory的访问

具体的推导过程可以参考：

online softmax：https://zhuanlan.zhihu.com/p/5078640012

flash attention：https://zhuanlan.zhihu.com/p/663932651

flash attention改变的是计算过程，实际的模型结构并没有改变，最终的结果也是一样的

2.6 Continuous Batch

之前介绍的都是单条seq的推理，实际会有多条seq，并且seq的长度不近相同，对于张量Tensor[batch_size, seq_len, hidden_dim]，由于每个batch的seq_len不同，所以无法进行批量乘法运算

解决办法也不近相同，可以用padding+mask的方式补齐seq_len，也可以从最小的seq_len开始做prefill然后再decode：

https://github.com/keli-wen/AGI-Study/tree/master/inference/Intro-Basic-LLM-Inference

但是这样就会多出padding部分的不必要的计算量

也可以使用packing的方式，直接变成一个维度Tensor[batch_size * seq_len, hidden_dim]，除了attention计算以外的模块都可以这样做，而且方便将prefill和decode放在一起去batch处理

而对于attention的计算，flash attention官方实现中提供了varlen接口，提供cu_seqlen_q，直接在kernel层面避免不必要的计算：

因为不同seq的生成eos的位置不一样，导致短seq的用户要等待长seq的用户，所以使用continuous batch，以seq为单位调度，在生成一批token之后重新进行调度，如果发现有seq生成完了那么就让这个seq结束，从而实现动态的批处理过程

2.7 Chunked Prefill

当上下文长度过大时，如果不对prefill进行拆分，长seq仍然会影响到短seq，所以对prefill阶段进行拆分，可以改善时延，同时也能减少pp并行的GPU气泡，但是会折损prefill的性能，因为要读前一个chunk的kv cache

chunk prefill主要一个是帮助decode，一个是减少pp并行的气泡

通过修改attention mask就可以等价实现

像vllm v1的调度，就是先调度running队列，再调度waiting队列，同时会进行chunked prefill，通过固定token budget，可以保证一个合理的延时

https://zhuanlan.zhihu.com/p/1908153627639551302

2.8 Tensor Parallel

去看开源大模型的实现，会发现基本都有张量并行，就是把模型参数拆分到多个卡上面

以attention模块为例，一般的实现会先根据multi-head拆分，不同GPU负责不同头的attention score计算，例如下图，权重被差分到两个GPU上，一个GPU负责一个头的attention计算，最后在output映射后做一个all reduce的操作，就是累加每个GPU上的结果然后同步

并行方式还有很多种，此处仅作抛砖引玉

• operator: all reduce/reduce/broadcast/all gather/reduce scatter
• data parallelism (memory problem, ZeRO 1/2/3)
• model parallelism: pipeline(zero bubble pipelining) / tensor
• activation parallelism: sequence
• context parallel / ring attention
• expert parallel
• 3d/4d parallel