端侧 AI 的推理加速:手机端大模型怎么提速?

简介: Google 给 Pixel 上的 Gemini Nano 装了个“先猜后验”的加速器

手机跑大模型听起来很酷,但真的跑起来之后,问题就接踵而来了。

我们常用的云端模型可以依赖服务器和数据中心,但手机上的模型就没这么强大的后盾。不仅如此,它还要顾及电池、内存、发热,还有尽量别让用户等太久。

Google 最近分享了一篇文章,介绍 Gemini Nano 在 Pixel 设备上的一次推理加速优化:Frozen Multi-Token Prediction。这个方法已经用在 Pixel 9 和 Pixel 10 系列的 Gemini Nano v3 中,服务于 AI 通知摘要(AI Notification Summaries)、文本校对(Proofread) 等端侧 AI 功能。

本文就借这篇文章,简单看看手机端大模型为什么容易慢,Frozen Multi-Token Prediction 大概怎么工作,以及它为什么能让 Gemini Nano 在 Pixel 上生成得更快一些。

大模型为什么会慢

大语言模型生成文字时,通常是一个 token 一个 token 往外吐。

你可以把它理解成一个很谨慎的打字员。每写下一个词,都要看一遍前面的内容,再判断下一个词是什么。这个流程看着很稳,但放到手机上,就很容易变慢。

因为手机的算力、内存和功耗都有限。模型每次只生成一个 token,就意味着要反复调用推理流程,也会更频繁地占用内存带宽。Google 在原文里提到,移动设备有严格的能耗预算和 RAM 限制,而传统自回归生成方式会形成瓶颈,影响体验和电池消耗。

所以,端侧 AI 要提速,一个很自然的方向就是:能不能一次多生成几个 token?

多猜 Token 再统一验证

Google 的 Frozen Multi-Token Prediction 的核心思路,就是先让一个轻量模块提前猜几个后续 token,再交给主模型检查。

这和 speculative decoding 的实现思路有点像。一般来说,生成 N 个 token 需要大模型跑 N 次;speculative decoding 把过程拆成两步:先由更快的小模块生成候选 token,再由主模型并行验证。如果候选内容和主模型判断一致,就可以一次接受多个 token;如果中间不一致,就从分歧处重新生成下一个 Token。

这样一来,模型生成文字就不用永远一步一步地往前挪。只要猜对了,它就可以一次往前推进几个 token。

需要提一下的是,Google 没有为 Gemini Nano 单独放一个很重的 drafter 模型。它在 Gemini Nano v3 的主模型后面接了一个轻量的 MTP head,让这个小模块负责提前预测。

图 1:Frozen MTP 的 zero-copy 架构

MTP Head 复用主模型已经计算出的 hidden states 和 KV cache,生成候选 token 后,再由主模型统一验证。

Frozen Multi-Token Prediction 是什么

这里 Frozen 的意思是,主模型权重被冻结。

Google 拿已经训练好的 Gemini Nano v3,把它的权重固定住,然后接上一个新的 MTP head。训练时,只训练这个新增模块,主模型本身不动。Google 认为,这样 MTP 更像是一个效率优化层,不会影响基础模型原有能力和安全对齐;如果提前预测错了,也会在验证阶段被丢掉,最终输出仍由主模型决定。

这点很适合端侧部署。

因为手机上的模型已经进入正式环境,重新训练和重新适配都很麻烦。Frozen MTP 的做法更像是在原有模型旁边加一个“提前预判器”,主要目标是减少等待时间和资源浪费。

端侧优化,内存也很关键

图 1 里还有一个很关键的细节:zero-copy architecture。

如果单独放一个 drafter 模型,它也要读上下文、维护自己的 KV cache,还要占用额外内存。对手机来说,这些都是成本。

Google 的方案是让 MTP Head 直接利用主模型已经算好的状态,包括 hidden states 和 KV cache。这样一来,小模块不用重新处理完整 prompt,也不用重复维护一份上下文缓存。Google 提到,这种设计可以消除 drafter 的额外 prefill 延迟,并且相比独立 drafter,每个实例最多节省约 130MB 运行内存。

这也是手机端 AI 和云端 AI 很不一样的地方。云端更容易通过堆算力解决问题;手机端要算得快,还要尽量少占内存、少唤醒重处理器、少消耗电量。

优化后的性能

在 Pixel 9 设备上的实验中,MTP drafter 相比参数量接近的独立 drafter,在部分任务上能带来 50% 以上的加速。对于 smart replies 这类结构更可预测的任务,token 接受率最高提升到 55%。在 AI Notification Summaries 和 Proofread 等生产负载中,MTP 平均每次推理可以正确多预测接近 2 个 token。

图 2:MTP 结果图

上图展示了 Gemini Nano 在 Pixel 9 不同应用场景中,引入 MTP 后的 token generation 效果对比。

小结

这篇文章可以看作 Google 对端侧大模型推理的一次工程优化记录。

它讲的重点并不复杂:手机里的大模型生成内容时,如果每次只生成一个 token,就容易慢;如果能提前预测几个 token,并且让主模型统一验证,就有机会减少推理步数。

Frozen MTP 的做法,是在 Gemini Nano v3 后面加一个轻量预测模块。主模型保持不动,小模块负责提前猜,主模型负责检查。猜中了,生成更快;猜错了,丢掉重来。

简而言之,手机端大模型要变快,除了模型本身要轻,生成方式也要更省步骤、更省内存。

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