原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/711378550
大语言模型LLM的推理引擎经过一年时间发展，现在主流方案收敛到了开源的vLLM和半闭源的TensorRT-LLM。
TRT-LLM基于C++开发，有NV算子开发黑魔法加持，在其重点支持的场景里，性能可以做到极致。vLLM基于python开发，代码简洁架构清晰，和开源互动紧密，灵活地满足了二次开发的需求。比如，最近流行的分离式架构，比如Sarathi-Serve，Mooncake等都是基于vLLM。
vLLM时代和时代中的vLLM
纵观古今，vLLM算是现象级的开源项目。这个自UCB的项目，从一篇Paged Attention技术论文作为起点，逐渐演化为惠及全球大模型开发者的开源产品。时势造英雄，英雄造时势，两个原因相辅相成，成就了vLLM。
- 技术创新：Paged Attention（PA）创新性解决了高吞吐场景下的性能问题，vLLM率先享受了这项技术进步的红利，带来了初始流量。
- 兼顾性能和易用性：vLLM的PA kernel虽然用cuda开发，但是其余部分都是pytorch开发，包括Batch调度、模型定义、并行推理等。相比TRT-LLM来说，虽然引入了PyTorch的overhead，但是显著增加了灵活性，降低了开发者参与的门槛。
- 开源社区经营：继承自UCB优秀传统，vLLM开源社区经营方式很成熟。每年都有summit，定时同步自己的roadmap。这让vLLM从力变场，成为汇聚模型开发者、模型使用者、技术创新者的平台。即使TRT-LLM性能更优，仍然无法撼动其社区属性。
- 多硬件支持：vLLM支持AMD、Intel等厂商的GPU。这也是TRT-LLM难以触及的禁区。
vLLM可以算是非常成功，对大模型发展的贡献也是史诗级的。正如吕布死后，人皆称赛吕布；vLLM开源之后，人人皆可自研LLM推理框架。
但是以史为鉴，我认为大模型推理引擎的发展仍是初级阶段。
就像当年深度学习框架发展经历了cuda-convnet（2012）-> Caffe （2014）-> TensorFlow（2016）-> PyTorch（2017）长达五年跨度若干的阶段，大模型推理框架一步到位也不太现实。vLLM有点像当年的Caffe阶段，比如下面几个方面：
- 高性能：Caffe率先做到了在GPU上高性能运行，它写了大量cuda kernel，比如im2col后调用cuBLAS来优化卷积算子。同时很早支持数据并行方式多卡训练。其性能优势让很多人从Theano切换到Caffe，正如vLLM的Paged Attention打开了吞吐天花板。
- 开源影响力：工程和学术界大量model zoo都基于caffe开发，比如很多年的ImageNet比赛的模型都用Caffe，其中就包括CVPR 16' best paper Resnet。和vLLM现在的地位颇为相似。
- 学术机构维护：Caffe和vLLM都诞生于UCB实验室项目。Caffe的主程Yangqing Jia后来去Facebook，写了Caffe2后来合并进了PyTorch项目。
随着深度学习需求的升级，导致Caffe被更灵活和更高效设计替代。原因是多方面的，首先，更复杂的模型架构，Caffe就很难定义其计算图，比如循环架构的LSTM。另外，随着竞争加剧，实验室方式维护开源项目难以为继，后期的TensorFlow和PyTorch成功都离不开大公司的投入与推广。种种原因导致Caffe淡出历史舞台，但是Caffe的影响还是广泛存在于现在的深度学习基础设施之中。
vLLM今天很可能面临着和当年Caffe相似的局面。在Caffe时代，深度学习框架完成了算子库和框架解耦，Caffe从自己实现各种算子进化成调用cuDNN。vLLM也重演了类似的演化，现在vLLM开始利用FlashInfer和xformers作为算子库，最开始PA的cuda代码渐渐淡出。
SGLang：从LLM Inference到LLM Programs
vLLM主要考虑简单的单轮对话形式与LLM进行交互，输入prompt，Prefill+Decode计算后输出。随着大模型应用发展深度，LLM的使用方式正在发生变化。比如，LLM参与multi-round planning、reasoning和与外部环境交互等复杂场景，需要LLM通过工具使用、多模态输入以及各种prompting techniques，比如self-consistency，skeleton-of-thought，and tree-of-thought等完成。这些过程都不是简单的单轮对话形式，通常涉及一个prompt输出多个结果，或者生成内容包含一些限制，比如json格式或者一些关键词。
这些模式的涌现标志着我们与LLMs交互方式的转变，从简单的聊天转向更复杂的程序化使用形式，这意味着使用类似编程语言的方式来控制LLMs的生成过程，称为LM Programs。LM Programs有两个共同特性：（1）LM Program通常包含多个LLM调用，这些调用之间穿插着控制流。这是为了完成复杂任务并提高整体质量所必需的。（2）LM Program接收结构化输入并产生结构化输出。这是为了实现LM Program的组合，并将其集成到现有的软件系统中。
最近广受关注的工作SGLang正是瞄准LLM Programs设计的。SGLang这个工作去年就发布了，当时其实就引起了很多关注，其RadixAttention共享KVCache Prefix的优化，也被最近的各种新型推理引擎所采用，比如MoonCake，MemServe等之中。最近SGLang的论文升级了一个版本，也更新了性能数据，效果直逼TRT-LLM引起了不少轰动。
SGLang作者也是来自UCB和Stanford的团队的青年才俊，很多人都是vLLM的作者，UCB在大模型时代，仍然是Computer System领域的宇宙中心。Lianming Zheng是自动并行系统Alpa的一作，Sheng Ying是FlexGen、S-LoRA的一作，Liangsheng Yin是SJTU ACM班的，现在UCB暑研， @Yineng Zhang之前在Meituan开发LLM推理引擎，实战经验丰富。
https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/sgl-project/sglang/
SGLang采用了编译器方式的设计。当输入和输出是多对多的，就有很多Lazy方式来优化调度的空间，这就很自然的映射到编译器设计，可以分frontend和backend两部分。
前端定义一种DSL，嵌入在Python中。下图展示了一个使用分支-解决-合并提示方法评估关于图像的论文的LLM Program。函数multi_dimensional_judge接受三个参数：s、path和essay。s管理提示状态，path是图像文件路径，essay是论文文本。可以使用+=操作符将新字符串和SGLang原语附加到状态s中以供执行。首先，函数将图像和论文添加到提示中。然后，它使用select检查论文是否与图像相关，并将结果存储在s["related"]中。如果相关，提示会分成三个副本进行不同维度的并行评估，使用gen将结果存储在f["judgment"]中。接着，它合并判断结果，生成总结，并评分ABCD。最后，它按照正则表达式约束regex定义的模式，以JSON格式返回结果。
SGLang后端执行时极大地简化了这一程序，如果使用类似OpenAI API的接口编写等效程序需要多出2.1倍的代码。
SGLang的后端Runtime有三个核心创新优化点，我下面分别介绍：
1. Efficient KV Cache Reuse with RadixAttention
上图Figure 2钟，SGLang程序可以通过“fork”原语链接多个生成调用并创建并行副本。此外，不同的程序实例通常共享一些公共部分（例如，系统提示）。这些情况在执行过程中创建了许多共享提示前缀，从而提供了许多重用KV缓存的机会。下图Figure 9所示，展示了各种KVCache Prefix共享的场景。
SGLang V1版本论文就提出了RadixAttention，这是一种在运行时自动和系统化重用KVCache的新技术。与现有系统在生成请求完成后丢弃KV缓存不同，我们的系统在RadixTree中保留prompt和生成结果的KVCache，实现高效的前缀搜索、重用、插入和驱逐。SGLang用LRU驱逐策略和缓存感知调度策略，以提高缓存命中率。
Mooncake也有相似的KVCache Prefix Sharing优化，不过场景略有差异，mooncake是在不同用户请求间很多共享前缀，SGLang还是在一个Program内。大家可以参考MoonCake中的Prefill Pool设计，RadixAttention和Hash设计有千丝万缕联系。我猜测，之前大家没想到请求间Prefix共享机会那么大，实际上对于RAG+LLM方式使用，请求间前缀相同概率挺大的，SGLang提出的RadixAttention很快变成了非常通用的设计，不止限于LLM Program中。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/706097807
2. Efficient Constrained Decoding with Compressed Finite State Machine
在LM Programs中，用户通常希望将模型的输出限制为遵循特定格式，如JSON模式。这可以提高可控性和鲁棒性，并使输出更易于解析。SGLang通过正则表达式提供了一个regex参数来强制执行这些约束，这在许多实际场景中已经足够表达。现有系统通过将正则表达式转换为有限状态机（FSM）来支持这一点。在解码过程中，它们维护当前的FSM状态，从下一个状态检索允许的token，并将无效token的概率设置为零，逐个token解码。
Constrained Decoding我去年也有关注，微软的Guidance算是比较早期工作，SGLang也引用了。不过SGLang做了一些进一步的优化。
逐个token的方法在有机会一次性解码多个token时效率低下。例如，前面Figure 2中的常量序列{"summary": "在图4（c）所示的正常解码过程中跨越多个token，需要多个解码阶段，尽管在解码时只有一个有效的下一个token。因此，整个序列可以在一个步骤（即前向传递）中解码。然而，现有系统只能一次解码一个token，因为现有系统中FSM与模型运行器之间缺乏集成，无法进行多token处理，导致解码速度慢。
SGLang通过创建一个带有压缩FSM的快速约束解码运行时来克服这一限制。该运行时分析FSM并将FSM中相邻的单一转换边压缩为单一边，如图Figure（b）所示，使其能够识别何时可以一起解码多个token。在Figure 4（d）中，压缩转换边上的多个token可以在一次前向传递中解码，这大大加速了解码过程。它也是通用的，适用于所有正则表达式。
3. Efficient Endpoint Calling with API Speculative Execution
上述优化RadixAttention和Constrained Decoding还是针对模型是白盒情况。如果调用的模型是OpenAI这种黑盒API，SGLang通过使用推测执行来加速多调用SGLang程序的执行并降低API成本。
例如，一个程序可能要求模型通过多调用模式生成一个角色的描述：s += context + "name:" + gen("name", stop="\n") + "job:" + gen("job", stop="\n")。简单来说，这两个gen原语对应于两次API调用，这意味着用户需要为上下文支付两次输入令牌费用。在SGLang中，我们可以在第一次调用时启用推测执行（Speculative Execution），并让它忽略停止条件继续生成几个额外的令牌。解释器保留这些额外的生成输出，并与后面的原语进行匹配和重用。在某些情况下，通过提示工程，模型可以高准确度地匹配模板，从而节省我们一次API调用的延迟和输入成本。
文章没细讲遇到什么样的程序描述会开启Speculative Execution，因为如果推测失败，反而多消耗了token。我觉得这一章节抛砖引玉，强调了SGLang不只是推理引擎，还可以做作为推理引擎的上层调用框架。有点类似llvm和机器码执行器之间的关系。
令人惊艳的SGLang性能
使用RadixAttention和Constrained Decoding可以减少LLM Program的计算量，这些优化也是和vLLM的PA、Continous Batching兼容的。如果你对LLM的用法可以使用SGLang定义成LLM Program，在业务中是可以显著获得收益的。
不过如果还是展示SGLang V1论文的场景格局就小了。SLGang V2在不用RadixAttention和Constrained Decoding优化前提下，相比vLLM有明显加速，而且性能接近TRT-LLM。我这里贴了博客中的H100的性能，有些case甚至远超TRT-LLM。SLGang团队跟我说原因在于软件调度写得好，是实打实的更好的工程实现的结果。这个结果确实非常惊艳的，我没有实测，不过听说NVIDIA是可以复现这个结果的。这也说明现有的推理引擎vLLM有很大的重构提升空间。
Achieving Faster Open-Source Llama3 Serving with SGLang Runtime (vs. TensorRT-LLM, vLLM) | LMSYS Org
总结
大模型推理引擎经过一年多发展，进入了一个关键的调整期。一方面，针对定制集群的分离式架构出现，很多业务方自己定制更复杂的并行和调度方案。另一方面，LLM的用法更加复杂，催生了LLM Programs使用范式。此外，非NVIDIA的NPU如雨后春笋般涌现，它们独特的硬件特性亟待新的系统架构来充分挖掘与利用。
在这一背景下，以vLLM为代表的开源LLM推理引擎正面临着前所未有的进化压力。而SGLang此次的升级，不仅从框架层面揭示了vLLM仍有巨大的提升潜力，也对LLM场景需求进行了一些探索，值得大家关注。
作者： 方佳瑞
来源：GiantPandaCV
推荐阅读
- CUDA-MODE课程笔记 第7课: Quantization Cuda vs Triton
- CUDA-MODE 第一课课后实战（上）
- 一文弄懂 LLM 结构化数据生成原理
- 属于嵌入式和移动设备的轻量级 YOLO 模型 ！
欢迎大家点赞留言，更多Arm技术文章动态请关注极术社区嵌入式AI专栏欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。
