LLM：decoder-only 思考

news2025/12/14 19:43:38

文章目录

前言
一、KV-cache
- 1、为什么使用KV-cache
- 2、KV-cache的运作原理
二、Decoder-only VS Encoder-Decoder
- 1、Decoder-only
- 2、Encoder-Decoder
三、Causal LM VS PrefixLM
总结

前言

decoder-only模型是目前大模型的主流架构，由于OpenAI勇于挖坑踩坑，大家跟随它的脚步使其目前主流大模型均为decoder-only架构。但目前也没有明确实验表明decoder-only模型一定要优于encoder-decoder架构或其它架构。本文主要decoder-only涉及到一些技术点。

一、KV-cache

其实我觉得decoder-only目前一个很大的优势就是其已经逐渐成熟的部署生态，其中的重点之一KV-cache。

KV-Cache 指在 Transformer 解码器中缓存住过去生成 token 的 Key（K）和值（Value，V），以避免每次都重复计算前面 token 的 attention。

1、为什么使用KV-cache

在 decoder-only 架构中，当生成第 t 个 token 时，需要用 1~t-1 的 token 计算 attention。

如果不缓存，就要重复计算每个前面位置的 K/V （我们知道Q， K， V均经过各自的线性层获得，如果每次都计算将导致巨大的计算量）。

而有了 KV-Cache：
每一步只计算当前 query 的 attention，然后从缓存中提取之前的 K/V。
时间复杂度从 O(T²) ➜ 降为 O(T)（每步 O(1)）。

Query_t    -->   Attention(Q_t, K_1~t-1, V_1~t-1)
                                  ↑
                               来自缓存的 K/V

2、KV-cache的运作原理

基本代码如下：

outputs = model(input_ids, use_cache=True)
past_key_values = outputs.past_key_values  # 缓存的Key 和 Value

next_outputs = model(next_input_ids, past_key_values=past_key_values)

具体一点，假设prompt为 'The cat is' ,

第一次输入："The cat is" → 模型生成 sleeping（next token id 是 sleeping 对应的 token）

第二次输入：next_input_ids = [sleeping_token_id]，配合上一次的 past_key_values

第三次输入：模型又生成了 on，然后 next_input_ids = [on_token_id]

以此类推...

基于此，简单的伪代码如下：

input_ids = tokenizer("The cat is", return_tensors="pt").input_ids
outputs = model(input_ids, use_cache=True)
past_key_values = outputs.past_key_values

generated_ids = input_ids

for _ in range(max_gen_len):
    next_token_id = outputs.logits[:, -1, :].argmax(dim=-1)
    generated_ids = torch.cat([generated_ids, next_token_id.unsqueeze(-1)], dim=-1)

    outputs = model(input_ids=next_token_id.unsqueeze(0), past_key_values=outputs.past_key_values)

这里再提一点：因为Q要和之前所有的K和V计算attention，

attn_scores = Q_t × [K_1, ..., K_{t-1}]ᵀ   # shape: [1, t-1]
attn_weights = softmax(attn_scores)
output_t = attn_weights × [V_1, ..., V_{t-1}]  # shape: [1, d_model]

output_t = α₁ · V₁ + α₂ · V₂ + ... + α_{t-1} · V_{t-1}

二、Decoder-only VS Encoder-Decoder

首先要了解的一点，这两种架构都是针对语言端来说的，对于多模态是一定会有编码器来编码视觉等信息的。

基本架构如下：

             ┌────────────┐
Input Text → │  Encoder   │ ─┐
             └────────────┘  │
                             ▼
                       ┌────────────┐
     Target Tokens →   │  Decoder   │ → Output tokens
                       └────────────┘

首先最明显的结构上的差异，多了个encoder。

此外Decoder-only是只有单向注意力（causal attention），天然具备隐式的位置编码能力，即使没有外部的位置编码，也能表达出 token 顺序。

Encoder-Decoder中是存在交叉注意力的，可以完整看到encoder的输出，比较适合并行处理

1、Decoder-only

适合任务：语言建模、对话、长文生成、代码补全等

[Prompt + Target] → 单个 Decoder → 逐 token 输出

注意力结构：
每个 token 只能看到自己左边的内容（自回归）

优点：
结构简单，统一处理输入输出
非常适合 autoregressive 生成（逐字输出）

2、Encoder-Decoder

适合翻译任务

Input:     I love you
           ↓
Encoder:   编码为隐藏状态
           ↓
Decoder:   预测输出：我 爱 你

个人觉得其实encoder-decoder的训练会比decoder-only更容易下，因为多了一个encoder的语义理解过程。不过也许正因decoder-only的训练困难，才能使其能力上限更高。

三、Causal LM VS PrefixLM

前面已经提到了Decoder-only主要使用 Causal LM（从左至右，单向推理），其实还有一种训练范式为Prefix LM （Causal LM 和 Prefix LM在推理时是保持一致的，但是在训练时候的策略不同）

PrefixLM 做的 attention 限制是：

对于 prompt 的 token（你是谁？）：

它们可以看到彼此（全注意力）；

对于 target 的 token（皮卡丘）：

它们只能看到 prompt + 自己左边的 token（自回归 attention）；

不能 peek 后面的词。

可以看成是：“编码器-解码器合体”的一种 attention 掩码策略

Attention Mask格式如下：

Causal LM（如 GPT）

Token sequence: [ A B C D E ]
Mask matrix:
A → A  
B → A B  
C → A B C  
D → A B C D  
E → A B C D E

Prefix LM

Prefix = [A B]
Target = [C D E]

Token sequence: [ A B | C D E ]

Mask matrix:
A → A B        ✅ full attention for prefix  
B → A B  

C → A B C      ✅ target attends to prefix + left  
D → A B C D  
E → A B C D E

可以看到PrefixLM
显式建模「任务输入 + 输出」的结构；
在训练时就区分 prompt 和 response；
比纯 Causal LM 更有效地学习「用 prompt 解任务」的能力。