[English](../../features/speculative_decoding.md)

# 🔮 投机解码
本项目基于 PaddlePaddle 实现了高效的 **投机解码（Speculative Decoding）** 推理框架，支持多 Token 预测（Multi-token Proposing, MTP），用于加速大语言模型（LLM）的生成，显著降低时延并提升吞吐量。

## ✅ 投机解码方法支持
### ✅ 支持列表

- **Naive**: 普通解码模式，走投机解码代码路径但不生成草稿Token，用于测试投机解码框架的正确性

- **Ngram**: 基于n-gram匹配的投机解码方法

- **后缀解码**

- **MTP (Multi-Token Prediction)**
  - ✅ 已支持：TP 切分
  - ✅ 已支持：共享前缀
  - ✅ 已支持：单机 TP 切分 + PD 分离
  - ⏳ 即将支持：EP + DP + PD 分离
  - ⏳ 即将支持：兼容 Chunk Prefill
  - ⏳ 即将支持：多层 MTP layer

- **混合MTP、Ngram方法解码(Hybrid-MTP-with-Ngram)**
  - 方法概述：混合MTP与Ngram方法，先使用MTP产出N个草稿Token，再使用Ngram匹配补充草稿Token。
  - 使用场景：适合在需要更多草稿Token时使用，兼顾MTP生成能力与Ngram匹配的高效性。
---

### ⏳ 规划中

- Draft Model
- Eagle
- Hydra
- Medusa
- ...

## ⚙️ 高效投机解码框架设计
- **Attention机制**：采用 [Cascade Append Attention](https://flashinfer.ai/2024/02/02/cascade-inference.html) 的 Attention 机制，支持变长查询统一处理，一次前向推理即可完成所有验证。此外，我们对 Kernel 实现进行了深度定制，以最大化 Tensor Core 的利用率，并在高并发场景下仍然保持高吞吐。
- **虚拟填充机制**：采用虚拟填充快速定位输出 Token 的批次 ID，避免了高开销的数据拷贝与切片操作。
- **并行采样与验证**：我们开发了多个融合 Cuda Kernel，用于同时执行采样与验证操作。该 Kernel 支持对每个 batch 样本进行并行处理，避免了显式循环的开销。
- **高效 DraftModel/MTP 框架**：开发多个融合 Cuda Kernel，统一完成模型类方法的前后处理，相比传统的循环、切片方法，性能高效且易维护

## 🔧 参数说明

### 基础参数
- `method`: 解码策略，可选值为 `"mtp"`、`"ngram"`、`"naive"` 或 `"suffix"`
  - `naive`: 普通解码模式，走投机解码代码路径但不生成草稿Token
  - `ngram`: 基于n-gram匹配的投机解码
  - `mtp`: 多Token预测（Multi-Token Prediction）
  - `suffix`: 基于后缀解码的投机解码
- `num_speculative_tokens`: 每轮预测的 Token 数，最大支持 5（当前 MTP 仅支持 1）
- `num_model_steps`: MTP 模型步数，需满足 `num_speculative_tokens >= num_model_steps`
- `model`: 若选择 MTP，则需指定 MTP 模型路径
- `quantization`: 模型量化方式，推荐使用 `wint8`
- `batch_size`: 当前支持最大值为 256

### 验证策略参数 (verify_strategy)
控制草稿Token的验证方式：
- `topp` (默认): Top-P采样验证，草稿Token需在Top-P候选集中
- `greedy`: 贪婪验证，草稿Token需等于目标模型的argmax输出
- `target_match`: 目标匹配验证，草稿Token需等于目标模型的采样输出

```bash
--speculative-config '{"method": "mtp", "verify_strategy": "greedy", "num_speculative_tokens": 1, "model": "${path_to_mtp_model}"}'
```

### 接受策略参数 (accept_policy)
控制草稿Token的接受行为：
- `normal` (默认): 正常验证流程
- `accept_all`: 接受所有草稿Token（调试用）
- `reject_all`: 拒绝所有草稿Token（调试用）

```bash
--speculative-config '{"method": "mtp", "accept_policy": "accept_all", "num_speculative_tokens": 1}'
```

## 🚀 使用 Multi-Token-Prediction(MTP) 解码
详见论文：[DeepSeek-V3](https://arxiv.org/pdf/2412.19437)
### TP 并行部署
> 使用 4×H100，量化方式选择 WINT4
> 配置文件：`benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml`

```
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server \
    --model ${path_to_main_model} \
    --tensor-parallel-size 4 \
    --config ${path_to_FastDeploy}benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml \
    --speculative-config '{"method": "mtp", "num_speculative_tokens": 1, "model": "${path_to_mtp_model}"}'
```

### PD 分离式部署（1P1D）
> 在8×H100上部署1P1D，P、D节点 分别使用 4×H100；量化方式选择 WINT4
> 与常规 PD 分离部署一致，仅需替换配置文件并新增 speculative_config
详情请参考[PD分离式部署](./disaggregated.md)。
- P 节点（Prefill）

> 配置文件： `benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-tp4-prefill.yaml`

```
export FD_LOG_DIR="log_prefill"
rm -rf ${FD_LOG_DIR}
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server  \
       --model ${path_to_main_model} \
       --port 8180 \
       --metrics-port 8181 \
       --engine-worker-queue-port 8182 \
       --cache-queue-port 8183 \
       --workers 2 \
       --tensor-parallel-size 4 \
       --quantization wint4 \
       --splitwise-role "prefill" \
       --scheduler-name "splitwise" \
       --scheduler-host "127.0.0.1" \
       --scheduler-port 6379 \
       --scheduler-ttl 9000 \
       --scheduler-topic mtp \
       --config ${path_to_FastDeploy}/benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-tp4-prefill.yaml \
       --scheduler-password "scheduler_mtp" \
       --speculative-config '{"method": "mtp", "num_speculative_tokens": 1, "model": ""${path_to_mtp_model}"}'  &
```

- D 节点（Decode）

> 配置文件： `benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-tp4-decode.yaml`

```
export FD_LOG_DIR="log_prefill"
rm -rf ${FD_LOG_DIR}
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server  \
       --model ${path_to_main_model} \
       --port 8180 \
       --metrics-port 8181 \
       --engine-worker-queue-port 8182 \
       --cache-queue-port 8183 \
       --workers 2 \
       --tensor-parallel-size 4 \
       --quantization wint4 \
       --splitwise-role "prefill" \
       --scheduler-name "splitwise" \
       --scheduler-host "127.0.0.1" \
       --scheduler-port 6379 \
       --scheduler-ttl 9000 \
       --scheduler-topic mtp \
       --config ${path_to_FastDeploy}/benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-tp4-prefill.yaml \
       --scheduler-password "scheduler_mtp" \
       --speculative-config '{"method": "mtp", "num_speculative_tokens": 1, "model": ""${path_to_mtp_model}"}'  &
```
## 使用混合MTP、Ngram方法解码
在启动服务时，只需改动 --speculative-config 即可。例如使用MTP产出两个DraftToken，再额外拼接三个Ngram匹配的DraftToken
```
--speculative-config '{"method": "mtp", "num_model_steps": 2, "mtp_strategy": "with_ngram" ,"num_speculative_tokens": 5, "model": "'$model_path'/mtp"}'

```
## 🧠 使用 Ngram 解码
该算法通过 n-gram 窗口从 prompt 和已生成的 Token 中进行匹配生成草稿 Token，适合输入和输出有很大 overlap 的场景，如代码续写、文档查询等。
> 使用 4×H100；量化方式选择 WINT4
> 配置文件：benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml

```
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server \
    --model ${path_to_main_model} \
    --tensor-parallel-size 4 \
    --config ${path_to_FastDeploy}benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml \
    --speculative-config '{"method": "ngram", "num_speculative_tokens": 1}'
```

## 📝 使用 Naive 模式（普通解码）
Naive 模式走投机解码代码路径但不生成草稿 Token，用于测试投机解码框架的正确性或对比性能基线。

```
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server \
    --model ${path_to_main_model} \
    --tensor-parallel-size 4 \
    --speculative-config '{"method": "naive"}'
```

**注意**: Naive 模式下 `num_speculative_tokens` 会被强制设置为 0。

## 🌲 使用后缀解码 (Suffix Decoding)

后缀解码是一种无模型推理框架，通过在 CPU 上使用高效后缀树进行快速草稿 Token 预测，加速重复性推理任务（如代理工作流程、编码等），消除 GPU 开销。

使用 4×H100；量化方式选择 WINT4:

> 配置文件：benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml

```
python -m fastdeploy.entrypoints.openai.api_server \
    --model ${path_to_main_model} \
    --tensor-parallel-size 4 \
    --config ${path_to_FastDeploy}benchmarks/yaml/eb45t-32k-wint4-mtp-h100-tp4.yaml \
    --speculative-config '{"method": "suffix", "num_speculative_tokens": 4, "suffix_decoding_max_tree_depth": 64, "suffix_decoding_max_cached_requests": 10000, "suffix_decoding_max_spec_factor": 1.0, "suffix_decoding_min_token_prob": 0.1}'
```

参数描述

```
# 后缀树中缓存的token序列的最大长度
self.suffix_decoding_max_tree_depth: int = 64

# 缓存中可存储的请求数量上限
self.suffix_decoding_max_cached_requests: int = -1

# 匹配长度的系数，计算方式为 num_draft_tokens = suffix_max_spec_factor * matched_length
self.suffix_decoding_max_spec_factor: float = 1.0

# 推测token的概率阈值
self.suffix_decoding_min_token_prob: float = 0.1
```
