Sparse Attention Remapping with Clustering for Efficient LLM Decoding on PIM

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1. 核心问题
  • 内存带宽瓶颈:传统GPU架构在处理长上下文LLM的注意力计算时,由于内存访问频繁且计算与带宽不匹配,导致性能受限。
  • PIM架构的局限性:现有PIM设计主要针对密集注意力优化,难以应对动态、不规则的KV缓存稀疏访问模式,导致工作负载不平衡,降低吞吐量和资源利用率。
  • 稀疏注意力的挑战
    • Token级稀疏性:细粒度访问与PIM的行级内存粒度不匹配,导致大量无效数据读取。
    • 页级稀疏性:基于位置的分页策略虽对齐硬件,但包含大量无关Token,影响模型精度。
2. STARC方案设计
  • 语义聚类与内存重映射
    • 基于余弦相似度对KV对进行K-means聚类,将语义相似的Token物理存储在连续内存区域,对齐PIM的存储Bank结构。
    • 解码时通过
### 基于内容的稀疏注意力机制及Routing Transformers的实现与理论 #### 背景介绍 在传统的自注意力机制中,计算复杂度随着序列长度呈二次增长 \(O(n^2)\),这使得其难以扩展到非常长的序列。为了缓解这一问题,研究者提出了多种稀疏注意力方法来降低计算成本并提高效率[^1]。 #### Content-Based Sparse Attention Mechanism 基于内容的稀瘦注意力机制通过减少不必要的注意力权重计算,专注于那些对当前上下文有意义的部分。具体来说,在标准的多头注意力公式中: \[ \text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}}\right)V, \] 其中 \(Q\) 是查询矩阵,\(K\) 是键矩阵,而 \(V\) 则是值矩阵。对于稀疏注意力而言,不是在整个序列范围内执行完整的点积操作,而是仅考虑局部区域或者特定条件下的子集。这种策略可以显著削减计算量和内存需求[^2]。 #### Routing Transformers 的核心概念 Routing Transformer 提出了一个新颖的方法——动态路由算法 (Dynamic Routing Algorithm),它允许模型根据输入的内容自动决定哪些部分应该相互作用。以下是其实现的关键要素: 1. **Clustered Attention**: 将 token 分组形成簇(cluster),并通过 k-means 或其他聚类技术找到代表性的中心向量(center vectors)[^3]。 ```python import torch def cluster_tokens(embeddings, num_clusters=8): from sklearn.cluster import MiniBatchKMeans kmeans = MiniBatchKMeans(n_clusters=num_clusters).fit(embeddings.detach().cpu()) centers = torch.tensor(kmeans.cluster_centers_).to(device) labels = torch.tensor(kmeans.labels_).to(device) return centers, labels ``` 2. **Global Context Representation**: 构建全局上下文表示以便捕捉远程依赖关系。此过程涉及创建额外的一系列 global tokens 并让它们参与到每一步的标准 self-attention 中去。 3. **Efficient Computation via Hashing Techniques**: 使用哈希技巧进一步优化性能。例如 locality-sensitive hashing(LSH) 可以快速定位相似项从而加速检索速度。 4. **Combination of Local & Global Information**: 合并来自不同尺度的信息流最终得到更丰富的特征表达形式。这种方法不仅保留了细粒度细节同时也兼顾到了宏观模式识别能力。 ```python class RoutingTransformerLayer(nn.Module): def __init__(self, d_model, nhead, dim_feedforward, dropout=0.1): super().__init__() # Standard components like feed-forward networks etc. ... def forward(self, src): """ Args: src: Tensor, shape [seq_len, batch_size, embed_dim] Returns: output tensor after applying routing transformer layer logic """ # Implement clustering here before passing into MHA layers return transformed_output ``` 上述代码片段展示了如何定义一个基本的 `RoutingTransformer` 层级结构框架,并提示可以在前馈之前加入token分群逻辑。 #### 总结 通过对传统全连接式注意力方案加以改进,引入诸如基于内容筛选、分区聚焦以及高效索引等手段之后,我们能够构建起既保持强大表现力又具备良好可扩展特性的新型架构—即所谓的 Routing Transformers 。这些进步极大地促进了自然语言处理领域内诸多任务的效果提升,尤其是在面对超大规模语料库时尤为明显[^2].
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