在开始之前，给大家出几个“高频面试题”，看看你能答上来吗？
1. 举例说明 KV Cache 的计算过程
2.为什么要用 KV Cache？它能解决什么问题，代价又是什么？
3. vLLM 里 KV Cache 形影不离的搭档是谁？
还记得之前那篇大语言模型推理，用动画一看就懂！的文章吗？是的！我们再次用动画来演示大语言模型的推理过程！几乎所有的大语言模型（LLM）都基于 Transformer 架构，它依赖于之前生成的 token 来预测下一个字符。而自注意力机制（self-attention）则是模型推理的核心：它不仅需要当前 token，还要每次“回顾”之前的所有 token。
动画演示 KV Cache
为了更加形象理解上面提到的自注意力机制的“回顾机制”，下面我画了一张图。它是大语言模型推理，用动画一看就懂！中那个文本生成步骤的第四步，其中计算 self-attention 时所需的 Key 和 Value 的示意图。
注意：Prompt 是 "The future of AI is" 有五个 token，第一步推理时模型输入的是整个 prompt，会计算出每个 prompt token 对应的 key 值和 value 值，为了清晰起见图里仅用 K1 和 V1 来代表它们。
接下来的动画演示了每一步计算自注意力的过程，清晰起见去掉了其他算子。
从图里看到每一步计算时，当前的 Qi 都需要和之前的 Kj 进行矩阵乘法计算，然后再和之前的 Vj 进行矩阵乘法。那么为了节省算力，我们可以把之前的 Kj、Vj 的结果“缓存”起来，这样每次只需要做增量计算。这个缓存机制就是 KV Cache ，简单却非常有效！来看看加上 KV Cache，推理过程变得多轻松吧！
从上面的动画可以看到除了第一步，其他步骤都可以通过缓存复用之前步骤产生的 Ki 和 Vi。这些步骤在计算 self attention 时只有一个 query，因此叫做 single query attention。
KV Cache 有多大？
一条文本所需的 KV Cache 计算公式如下：
KV Cache Bytes = 2 * 2 * Sequence Length * Number of Layers * Hidden Size
举个实际的例子，Qwen2 7B 这个国产大模型，在 4 K 序列长度下，KV Cache 大小是 1.6 GB！这是什么概念呢？要知道很多人的显卡也就 8GB 或者 16GB。
KV Cache 的代价
KV Cache 虽然能节省计算，但是显存开销也很显著，随着模型变大(Hidden Size 和 Layer Num 会增大）、序列长度变长，占用的显存迅速膨胀。
假设你实现 KV Cache 时，每次都是预留了一个超大的仓库来存放它，但每次只用了一小部分，这会导致资源浪费，你服务不了太多用户，而且容易出现“撑爆”显存（OOM）的现象。因为你的用户，他们每次推理时的文本长度是变化的！
那么如何解决这些问题呢？vLLM 提出的 PagedAttention 就是聪明地按需分配空间，像是“分隔储物柜”，需要多少就分配多少，避免浪费。
在下一篇文章中，我将继续用动画的方式，深入拆解 KV Cache 的好基友 PagedAttention 的工作原理，带你从源码层面剖析 vLLM 如何用这一技术解决显存瓶颈。敬请期待！
参考资料：
Transformers KV Caching Explained
游凯超(vLLM 核心开发者)知乎上的《一文读懂 KV Cache》
EFFICIENTLY SCALING TRANSFORMER INFERENCE
