LLM注意力Attention，Q、K、V矩阵通俗理解

一、QKV的重要性

要理解大语言模型效果的底层实现原理，很大一部分就是理解Transformers Block里面的QKV矩阵。现在前沿的大模型研究工作很大一部分都是围绕着QKV矩阵去做的，比如注意力、量化、低秩压缩等等。

其本质原因是因为QKV权重占比着大语言模型50%以上的权重比例，在推理过程中，QKV存储量还会随着上下文长度的增长而线性增长，计算量也平方增加。

可以说，现在大模型对外销售OpenAPI的价格战，很大一部分就是对QKV极致优化的技术战；围绕QKV，各大模型厂商使出浑身解数，在保证效果不变坏的前提下，主要的研究工作就是对性能和存储的极致压缩。

在本文，我们将从纯概念的角度，增进对QKV的理解。

而、QKV在哪里

还是这张图，QKV矩阵是Transformers Block MHA的重要组成部分，当一个文本Token过来的时候，文本Token的Normalization矩阵会分别和Q、K、V的权重矩阵进行矩阵乘法操作，得到三个不同的矩阵，以进入后面的计算过程。

以7B模型为例，计算数据的Shape如下：

Token Normalization Shape：[1, 4096]
Q、K、V Shape：[4096, 4096]

如果考虑一次推理的BatchSize和SeqLen（上下文长度），那就是这个Shape：

Token Normalization：[BatchSize, SeqLen, 4096]
Q、K、V Shape：[BatchSize, SeqLen, 4096, 4096]
其中，4096就是7B模型对应的Hidden Size。

从Shape就可以看出，Q、K、V的计算量和存储量会随着SeqLen的增长而增长。

三、QKV的作用

从计算角度理解QKV始终不容易理解它的算法效果，所以本部分从概念的角度理解QKV的作用。

在大型语言模型（LLM）中，特别是在基于Transformer架构的模型中，Q（Query）、K（Key）和V（Value）是自注意力（Self-Attention）机制中的核心组成部分。它们在推理过程中的作用如下：

Query (Q)：

角色：Query向量代表当前正在处理的token或位置，它表示模型需要“查询”的信息。

作用：在自注意力机制中，Query用于与所有的Key进行比较，以确定每个Key与当前token的相关性。这个比较的结果决定了Value的加权和，从而生成当前token的输出。

变化性：在自回归推理过程中，每个新生成的token都会有一个新的Query向量，它只依赖于当前token的信息。

Key (K)：

角色：Key向量代表序列中每个token的唯一标识，用于与Query进行比较。

作用：Key向量用于计算与Query的相似度或匹配程度，这个相似度得分决定了相应Value在最终输出中的权重。

稳定性：在自回归推理中，对于已经生成的token，其Key向量在后续的推理过程中会被重复使用，因为它们代表的是已经确定的token信息。

Value (V)：

角色：Value向量包含序列中每个token的实际内容或特征，它对生成当前token的输出有贡献。

作用：Value向量根据与Query的相似度得分（由Key确定）被加权求和，生成当前token的输出。

稳定性：与Key类似，对于已经生成的token，其Value向量在后续的推理过程中也会被重复使用。

在自回归推理过程中，模型一次生成一个token，并且每个新token都会基于之前所有token的信息。因此，对于每个新生成的token：

Q：需要重新计算，因为它依赖于当前token的信息。

K 和 V：可以被缓存（即KV Cache），因为它们代表之前已经生成的token的信息，这些信息在生成后续token时不需要重新计算。

总结来说，Q、K、V在推理过程中共同工作，通过自注意力机制允许模型在生成每个新token时动态地聚焦于序列中相关的信息。

Q代表了当前token的查询需求，而K和V则提供了序列中每个token的标识和内容，使得模型能够根据当前token的需求加权组合之前的信息，生成连贯和相关的输出。

四、为什么需要QKV，不能直接从Q得到输出呢？

在Transformer模型中，区分Q（Query）、K（Key）和V（Value）的原因主要有以下几点：

角色分离：

Q、K、V的设计允许模型在处理序列数据时，更有效地捕捉不同位置之间的关系。Q代表当前位置希望获得的信息，K代表序列中各位置能提供的信息，而V则代表当查询和键匹配时，应该从各位置获取的实际内容。

通过这种方式，模型可以灵活地捕捉不同位置之间的依赖关系。

增强模型能力：

使用独立的Q、K、V允许模型学习到更复杂的关系。每个位置不仅可以决定与其他位置的关联程度（通过Q和K），还可以决定从每个位置获取什么样的信息（通过V）。

灵活性和表达能力：

独立的Q、K、V矩阵增加了模型的灵活性和表达能力。模型可以学习到如何根据上下文将重点放在不同的信息上。

并行处理：

Transformer模型的设计允许在处理序列时进行高效的并行计算。Q、K、V的独立使得模型可以同时计算整个序列中所有位置的注意力分数，这大大提高了计算效率。

信息检索类比：

可以把Q、K、V机制类比为一个信息检索过程。

Q类似我们提出的搜索问题，目的是从大量信息中寻找相关答案；K类似信息库中的索引，它们决定哪些信息与查询相关；V类似实际的内容，是查询找到相关信息后的返回结果。

Q用来提出问题，K用来匹配相关性，V则是我们最终希望获取的信息。

综上所述，QKV的区分使得Transformer模型能够更加灵活和有效地处理序列数据，捕捉复杂的依赖关系，并适应不同的任务需求。

直接从Q得到V会限制模型的表达能力和灵活性，因为它忽略了通过K来确定相关性的重要性，并且减少了模型处理信息的灵活性。

五、在LLM推理时，为什么KV可以Cache？

在LLM（Large Language Model，大型语言模型）推理过程中，KV（Key-Value）Cache可以被缓存的原因主要基于以下几个方面：

减少重复计算：

在自注意力机制中，如果没有KV Cache，每次生成新token时，模型需要重新计算整个历史序列的Key和Value向量，并参与注意力计算，这导致了大量的重复计算。通过缓存历史序列的K和V，可以避免这种重复计算，显著降低推理的计算复杂度。

提升推理速度：

KV Cache通过缓存Key和Value向量，使得模型在生成新token时只需计算当前token的Query向量，并与缓存的Key和Value进行注意力计算，这样可以加快推理速度。

降低计算复杂度：

自注意力机制的计算复杂度为O(n^2⋅d)，其中n是序列长度，d是向量维度。使用KV Cache后，计算复杂度可以降低到O(n⋅d)，显著减少了计算量。

跨请求复用：

在某些场景下，多次请求的Prompt可能会共享同一个前缀（Prefix），这些情况下，很多请求的前缀的KV Cache计算结果是相同的，可以被缓存起来，给下一个请求复用。

综上所述，KV Cache在LLM推理中通过缓存Key和Value向量，有效减少了重复计算，降低了计算复杂度，提升了推理速度，并且优化了显存资源的使用，从而提高了模型的推理效率和吞吐量。

六、那为什么Q不可以Cache？

因为Q不需要Cache…

在LLM（Large Language Model，大型语言模型）推理过程中，不缓存Q（Query）的原因主要有以下几点：

依赖性差异：

在自回归Transformer模型中，每个新生成的token的输出（即Q）只依赖于当前token的Q以及之前所有token的K和V。

因此，对于计算下一个token的输出，不需要重复使用之前的Q，而K和V则需要被重复使用。

计算效率：

由于每次推理只会用到当前的Q，而这个Q在下次推理时不会被再次使用，因此缓存Q不会带来效率上的提升。

相反，K和V在每次推理中都需要被使用，缓存KV可以避免重复计算，从而加速推理过程。

自回归特性：

在自回归模型中，每个Token的生成仅依赖于它之前的所有Token，这意味着每个新Token的生成只需要当前的Q和之前所有Token的KV。由于每个Q都是基于前面序列来生成的，缓存Q对于计算Attention没有意义。

综上所述，由于Q在自回归Transformer模型中的使用特性和计算过程中的不对称性，缓存Q不会带来推理效率的提升，因此LLM推理过程中通常不缓存Q。

七、为什么区分MHA和MLP？

在Transformer模型中，Multi-Head Attention (MHA) 和 Multi-Layer Perceptron (MLP) 是两个核心组件，它们各自承担着不同的功能，共同协作以提升模型的性能。

MHA 的作用：

捕捉上下文信息：MHA通过多个头的方式，可以同时关注输入序列的不同部分，从而增强模型对上下文信息的捕捉能力。

提高模型的表达能力：MHA允许模型在不同的表示子空间中学习信息，这有助于模型学习到更丰富的特征表示。

处理长序列数据： 虽然MHA的计算量较大，特别是对于长序列，但它通过并行计算和优化策略（如稀疏注意力）来提高效率1。

MLP 的作用：

非线性映射：MLP通过多层感知机对MHA的输出进行非线性变换，这有助于模型学习到更复杂的特征表示。

提升模型的表达能力：MLP的引入使得模型能够捕捉到输入数据中的非线性关系，从而提高模型的表达能力。

整合特征：MLP将MHA提取的特征进行整合和进一步处理，为模型的输出提供必要的特征表示。

MHA和MLP的协同作用：

特征提取与整合：MHA负责提取输入序列的上下文特征，而MLP则负责对这些特征进行进一步的整合和转换，两者共同工作以提高模型的性能2。

通过区分MHA和MLP两个部分，Transformer模型能够更有效地捕捉输入序列的上下文信息，并学习到更丰富的特征表示，从而在自然语言处理任务中取得优异的性能。

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