Beyond Homogeneous Attention: Memory-Efficient LLMs via Fourier-Approximated KV Cache

FourierAttention:高效压缩大语言模型KV缓存

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论文主要内容总结

研究背景与问题

大语言模型(LLMs)在处理长上下文时,键值(KV)缓存的内存需求呈线性增长,成为资源受限环境下部署的瓶颈。现有KV缓存压缩方法(如标记淘汰、量化、低秩投影等)多将头部维度同质化处理,或依赖注意力引导策略,导致准确性下降或计算开销增加。

核心方法
  • FourierAttention框架:利用Transformer头部维度的异质性,发现低维度专注于局部上下文,高维度捕获长距离依赖。通过将长上下文不敏感的维度投影到正交傅里叶基上,用固定长度的频谱系数近似其时间演化,避免存储完整序列的KV缓存。
  • HiPPO-FourierT压缩:在预填充阶段保留初始和局部标记,压缩中间标记的KV状态;解码阶段通过逆傅里叶变换重建缓存,结合定制的Triton内核FlashFourierAttention优化读写操作,减少内存开销。
  • 细粒度压缩方案:根据KV缓存各层维度的标准差动态调整压缩比例,对变化更平缓的V缓存和低层缓存压缩更多维度,上层缓存和K缓存保留更多维度,形成非对称倒金字塔压缩模式。
实验结果

在LLaMA3.1-8B和LLaMA3.2-3B模型

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