现代 LLM 的核心架构设计其四：GQA
多头注意力 MHA#
我们在前面展开过：标准 Transformer 使用多头注意力机制， 个注意力头各自拥有独立的 Q、K、V 投影矩阵：
而其中每个头独立学习不同的注意力模式。最终的输出是 个头的拼接：
这本身是为了增加表达能力的合理设置，但 KV Cache 出现后，KV Cache 需要为每个头单独存储一份 K 和 V。这一结构设计带来了较大的内存压力。
2. 多查询注意力 MQA#
19 年，Shazeer（就是 SwiGLU 那位）在 Fast Transformer Decoding: One Write-Head is All You Need 提出了一个激进方案，即多查询注意力（Multi-Query Attention，MQA）。
在 MQA 中， 个 Query Head 共享同一组 K 和 V，只有一个 K 头和一个 V 头：
意思是无论有多少个 Query Head，它们查的都是同一份 K 和 V。
这样，KV Cache 的大小瞬间降到 MHA 的 。对于 64 头的模型，直接省了 98.4% 的 KV Cache 内存。
但代价也很明显：不同 Query Head 已经被证明会关注不同模式，把它们绑定到同一份 K、V 上，必然损失表达能力。
实验结果也印证了这一点：MQA 的训练更不稳定，在质量敏感的任务上效果有明显下降。
3. 分组查询注意力 GQA#
目前的主流方案来自 23 年的论文 GQA: Training Generalized Multi-Query Transformer for Multi-Head Attention ，它其实更像是前两个方案的折中：
把 个 Query Head 分成 组，每组共享一个 K 头和一个 V 头。 是一个可调参数。
这其实是把质量与效率的权衡变成了一个连续可调的超参数：你想省多少显存，就设置多少组。
举个例子，假设 ，那么其对应关系即如下：
| Query Head | 使用的 KV Head |
|---|---|
| Q₀ | KV₀ |
| Q₁ | KV₀ |
| Q₂ | KV₁ |
| Q₃ | KV₁ |
| Q₄ | KV₂ |
| Q₅ | KV₂ |
| Q₆ | KV₃ |
| Q₇ | KV₃ |
于是注意力实际上是这样的：
然后，所有组的输出再拼接到一起：
看得出来，GQA 的改动非常小，它只改变了 K 和 V 的投影矩阵列数，简单对比如下：
- MHA：，，
- GQA：，，
GQA 的 K、V 列数从 缩小到 ，Q 保持不动。这意味参数量节省了 ，同时 KV Cache 也相应缩小。
而从实现角度看，现代框架通常不会真的复制 K、V。而是在进入注意力计算前，先针对头索引 构造一个映射：
然后计算时直接索引：
这样来实现只共享内存，不会真的复制数据。
4. 大模型中的实际配置#
GQA 在提出之后迅速成为主流方案。如今绝大多数开源大模型都已经放弃传统 MHA，转而采用 GQA 来控制 KV Cache 的规模。
一些代表性开源模型如下：
| 模型 | KV Head | Query Head | Q:KV |
|---|---|---|---|
| LLaMA 2 70B | 8 | 64 | 8:1 |
| LLaMA 3 8B | 8 | 32 | 4:1 |
| LLaMA 3 70B | 8 | 64 | 8:1 |
| LLaMA 3 405B | 8 | 128 | 16:1 |
| Mistral 7B | 8 | 32 | 4:1 |
| Mixtral 8x7B | 8 | 32 | 4:1 |
| Qwen 2.5 72B | 8 | 64 | 8:1 |
| Gemma 2 9B | 8 | 16 | 2:1 |
值得一提的是：8 个 KV Head 几乎成为行业默认值。
这是因为对于常见的 个 Query Head 而言，8 个 KV Head 已经能够保留足够丰富的注意力模式，同时又能让 KV Cache 缩小到原来的 左右，这是大量实践下的优解。