提示缓存指南：揭秘提示缓存如何节省30%成本，全面提升LLM效率

GPT Cache 是一个通过结合缓存机制来增强语言模型性能和效率的系统。其核心目的是通过存储预先计算的嵌入及其相应的相似向量，优化相关信息的检索过程。本文档将概述 GPT 缓存系统中的关键组件及其功能。

LLM 适配器：连接 LLM 模型与后端

LLM 适配器在 LLM（语言模型）与后端系统之间充当重要的中介角色。通过建立稳定的连接，它促进了模型与后端之间的通信和集成，使 LLM 模型能够根据需求访问并检索后端的数据。

嵌入生成器：生成查询嵌入

嵌入生成器负责生成用户查询的嵌入。这些嵌入捕捉了查询中的语义信息，并将其转化为数字表示形式。通过将查询转化为嵌入，系统能够高效地比较和评估其与存储向量的相似性，从而提升检索效率。

相似性评估器：评估向量相似性

相似性评估器在 GPT 缓存系统中起着至关重要的作用。它通过评估查询嵌入与缓存中存储的向量之间的相似性，帮助识别最相关的匹配项。通常采用诸如余弦相似度等相似性指标，以确定向量之间的相似程度。

缓存存储：存储向量及其相似向量

缓存存储组件作为存储库，用于保存向量及其相应的相似向量。它将这些键值对按照距离或相似性进行降序排列。通过这种方式组织向量，系统在处理用户查询时能够快速检索到最相关和最相似的向量，从而提升响应速度。

缓存命中：检查缓存中的向量存在情况

在查询处理阶段，缓存命中功能用于确定缓存存储中是否已存在给定的向量。通过检查向量的存在，系统可以高效地识别和检索以前存储的向量，从而避免冗余计算，提高处理效率。

LLM：生成并回复相关段落

LLM（语言模型）是 GPT 缓存系统的核心组件。它接收从较大文档语料库中提取的相关段落，并根据查询和提供的上下文生成响应。LLM 利用其强大的语言理解能力，提供准确且符合上下文的回复，从而增强用户体验。

这篇文章，介绍一个新的概念，提示缓存是一种创新技术，旨在通过战略性地存储和重用预先计算的注意力状态来优化大型语言模型的推理过程。

它建立在以下观察基础之上：许多提示，尤其是在实际应用程序中，都包含重复出现的模式或共享元素。通过利用这种共性，提示缓存旨在消除冗余计算并显着加快推理过程。

当处理LLM提示时，它会生成称为注意状态的内部表示，这些表示捕获模型对输入文本不同部分之间关系的理解。传统上，这些注意力状态是为每个推理请求重新计算的，即使之前已经处理过提示的某些部分。

导致快速缓存的优化技术

随着大规模语言模型（LLMs）在规模和能力上的不断提升，对高效推理的需求变得越来越迫切。为了应对这一挑战，出现了几种关键的优化技术：

1. 模型压缩：剪枝、量化和知识蒸馏等技术的应用，旨在通过减少模型的大小和计算需求，从而提高模型的推理速度和资源利用效率。

2. 高效的注意力机制：开发了稀疏注意力（Sparse Attention）和 Longformer 注意力等变体，以降低标准注意力机制的二次复杂度。这些改进使得处理长序列数据更加高效，进一步优化了模型的性能。

3. 键值（KV）缓存：这种技术专为像 GPT 这样的自回归模型而设计，涉及在生成令牌的过程中缓存中间表示（即键和值），从而避免冗余计算。这不仅加速了推理过程，还显著提高了资源利用效率。

   
   

这些优化技术的应用，推动了快速缓存的发展，使得大型语言模型在实际应用中的表现更加出色。

提示缓存是优化工作的自然演变

提示缓存的概念源于优化技术的发展，专门针对在实际应用中大规模语言模型（LLM）所面临的独特挑战进行定制。它基于几个关键见解：

1. 计算状态的可重用性：研究人员认识到，LLM为特定文本段计算的内部状态在未来处理类似或相关提示时可能非常有用。这种状态的可重用性不仅节省了计算资源，还提高了处理效率。

2. 自然语言的模块化：在实际应用中，许多提示包含重复模式或共享元素。通过有效重用这些模块化的部分，提示缓存能够显著减少重复计算的需求，从而提升处理速度。

3. 计算和内存之间的权衡：在很多场景中，存储预先计算的状态虽然会占用一定的内存资源，但相较于避免冗余计算所带来的性能提升，其成本是值得的。提示缓存在这个权衡中找到了优化点，最大化了资源利用率。

4. 对动态上下文的适应性：提示缓存不仅需要能够重用预先计算的元素，还必须具备灵活组合这些元素与新计算内容的能力，以应对包含变体或新元素的各种提示。这种适应性使得提示缓存在处理动态且复杂的上下文时表现出色。

   
   

总之，提示缓存作为优化工作的自然演变，完美地应对了LLM推理中的挑战，提升了其在实际应用中的性能与效率。

与新兴LLM架构的集成

随着新的大规模语言模型（LLM）架构不断涌现，提示缓存技术需要进行调整，以充分利用这些架构的独特特性。

1. 稀疏Transformer缓存：开发针对稀疏注意力模式进行优化的缓存策略。这些策略能够有效地缓存和重用在稀疏注意力机制下生成的中间结果，从而减少不必要的计算开销。

   class SparseTransformerCache:def __init__(self, sparsity_pattern):self.cache = {}self.sparsity_pattern = sparsity_pattern
   def cache_attention(self, key, value, attention_pattern):masked_value = value * self.sparsity_patternself.cache[key] = (masked_value, attention_pattern)
   def get_cached_attention(self, key):if key in self.cache:value, pattern = self.cache[key]return value, patternreturn None, None

2. 混合专家（MoE）缓存：实施与混合专家模型架构有效配合的缓存策略。这种缓存方法能够存储和快速检索特定专家模型的输出，从而提高模型的推理效率。

   class MoECache:def __init__(self, num_experts):self.expert_caches = [{}] * num_experts
   def cache_expert_output(self, expert_id, key, value):self.expert_caches[expert_id][key] = value
   def get_cached_expert_output(self, expert_id, key):return self.expert_caches[expert_id].get(key)
   def cache_routing_decision(self, key, expert_weights):# Store the routing decision for a given inputself.routing_cache[key] = expert_weights
   def get_cached_routing(self, key):return self.routing_cache.get(key)
   

边缘计算场景中的提示缓存

随着AI功能逐步向边缘设备部署，提示缓存技术需要适应资源受限的环境。

1. 移动设备的轻量级缓存：开发适用于移动和物联网设备的紧凑型缓存策略。通过压缩和优化缓存数据，这些策略能够在有限的存储空间内高效地存储和检索提示信息。

   import lzma
   class CompressedEdgeCache:def __init__(self, max_size_bytes):self.cache = {}self.max_size = max_size_bytesself.current_size = 0
   def put(self, key, value):compressed_value = lzma.compress(value.encode())size = len(compressed_value)if self.current_size + size > self.max_size:self._evict_until_fit(size)self.cache[key] = compressed_valueself.current_size += size
   def get(self, key):if key in self.cache:return lzma.decompress(self.cache[key]).decode()return None
   def _evict_until_fit(self, required_size):while self.current_size + required_size > self.max_size and self.cache:evicted_key, evicted_value = self.cache.popitem()self.current_size -= len(evicted_value)

2. 联合提示缓存：探索在多个边缘设备之间共享和聚合缓存提示的技术，同时确保数据隐私。这种联合缓存机制有助于提升分布式环境中的推理效率，并减少冗余计算。

   import hashlib
   class FederatedCache:def __init__(self):self.local_cache = {}self.federated_cache = {}
   def put_local(self, key, value):self.local_cache[key] = value
   def get_local(self, key):return self.local_cache.get(key)
   def contribute_to_federation(self):for key, value in self.local_cache.items():hashed_key = hashlib.sha256(key.encode()).hexdigest()hashed_value = hashlib.sha256(value.encode()).hexdigest()self.federated_cache[hashed_key] = hashed_value
   def query_federation(self, key):hashed_key = hashlib.sha256(key.encode()).hexdigest()return self.federated_cache.get(hashed_key)
   def update_from_federation(self, federated_updates):self.federated_cache.update(federated_updates)
   

提示缓存在人类智能民主化中的作用

提示缓存技术有望让更广泛的用户和应用程序更便捷地访问高级AI功能，推动人工智能的普及。

1. 自适应缓存以实现资源公平性：制定缓存策略，确保在不同用户或应用程序之间公平分配资源。通过自适应分配资源，这些策略能够有效避免资源争夺，并确保各方获得合理的计算资源。

   class FairResourceCache:def __init__(self, total_resources):self.cache = {}self.user_resources = {}self.total_resources = total_resources
   def allocate_resources(self, user_id, requested_resources):available = self.total_resources - sum(self.user_resources.values())if available >= requested_resources:self.user_resources[user_id] = requested_resourcesreturn Truereturn False
   def put(self, key, value, user_id):if user_id in self.user_resources:if len(self.cache) * self.user_resources[user_id] / self.total_resources >= len([k for k, v in self.cache.items() if v[1] == user_id]):self.cache[key] = (value, user_id)return Truereturn False
   def get(self, key):if key in self.cache:return self.cache[key][0]return None

2. 社区驱动的提示库：开发框架，支持用户社区共享和协作改进缓存提示。这些框架不仅能够提升提示的质量，还能通过社区合作不断优化和丰富提示库。

   import json
   class CommunityPromptLibrary:def __init__(self):self.prompts = {}self.ratings = {}self.contributors = {}
   def add_prompt(self, key, value, contributor):self.prompts[key] = valueself.ratings[key] = []if contributor not in self.contributors:self.contributors[contributor] = set()self.contributors[contributor].add(key)
   def rate_prompt(self, key, rating, user):if key in self.prompts:self.ratings[key].append((user, rating))
   def get_top_prompts(self, n=10):sorted_prompts = sorted(self.prompts.keys(),key=lambda k: sum(r for _, r in self.ratings[k]) / len(self.ratings[k]) if self.ratings[k] else 0,reverse=True)return [(k, self.prompts[k]) for k in sorted_prompts[:n]]
   def export_library(self, filename):with open(filename, 'w') as f:json.dump({'prompts': self.prompts,'ratings': self.ratings,'contributors': {k: list(v) for k, v in self.contributors.items()}}, f)
   @classmethoddef import_library(cls, filename):library = cls()with open(filename, 'r') as f:data = json.load(f)library.prompts = data['prompts']library.ratings = data['ratings']library.contributors = {k: set(v) for k, v in data['contributors'].items()}return library

总结

提示缓存研究的未来方向为在各个领域提升大规模语言模型的效率、可访问性和影响力提供了广阔的前景。随着研究人员和从业者不断探索这些领域，我们有理由期待提示缓存技术在功能和应用方面的重大进展。