在大語言模型（LLM）領域，推理效率是制約其實際應用的關鍵因素之一。谷歌 DeepMind 的 Gemini diffusion 曾以1400 tokens / 秒的生成速度震驚學界，展現了擴散模型在并行生成上的潛力。然而，開源擴散 LLM 卻因缺乏 KV 緩存機制和并行解碼質量衰退，實際推理速度長期被自回歸模型壓制.

近日，NVIDIA 聯合香港大學、MIT 等機構重磅推出Fast-dLLM，以無需訓練的即插即用加速方案，實現了推理速度的突破！

• 論文：Fast-dLLM: Training-free Acceleration of Diffusion LLM by Enabling KV Cache and Parallel Decoding
• 項目地址：https://nvlabs.github.io/Fast-dLLM
• 論文鏈接：http://arxiv.org/abs/2505.22618
• GitHub 鏈接：https://github.com/NVlabs/Fast-dLLM

通過創新的技術組合，在不依賴重新訓練模型的前提下，該工作為擴散模型的推理加速帶來了突破性進展。本文將結合具體技術細節與實驗數據，解析其核心優勢。

一、 核心技術

分塊 KV 緩存與置信度感知并行解碼

1. 分塊 KV 緩存（Block-Wise KV Cache）：激活重用率超 90% 的雙向加速

傳統擴散模型因雙向注意力機制難以直接復用計算結果，導致長序列推理效率低下。Fast-dLLM 提出分塊 KV 緩存機制，通過以下設計實現高效計算：

• 雙向緩存策略：采用 DualCache 同時緩存前綴（Prompt）和后綴（Masked Tokens）的注意力激活值（KV Cache），如圖 1 (a)(b) 所示。在分塊生成時，前序塊的 KV 激活可直接復用于后續塊，減少重復計算。
• 高相似度驗證：實驗表明，相鄰推理步驟的 KV 激活余弦相似度接近 1（圖 2），證明緩存復用的可行性。例如，在 LLaDA 模型中，通過緩存可實現 90% 以上的激活重用，單步計算量顯著降低。

2. 置信度感知并行解碼（Confidence-Aware Parallel Decoding）

并行解碼雖能提升速度，但條件獨立假設易破壞 token 依賴關系，比方說這個例子 The list of poker hands that consist of two English words are: _ _.。后續兩個單詞可以是 “high card,” “two pair,” “full house,” 或者是 “straight flush.”。值得注意的是，這兩個單詞之間存在關聯。

然而，MDMs 中的多令牌預測過程首先為每個令牌生成一個概率分布，然后從這些分布中獨立采樣。這種獨立采樣可能導致不理想的組合（如生成 “high house” 等無效組合）。Fast-dLLM 通過動態置信度篩選解決這一問題（所謂置信度，是指模型給 token 賦予的概率大小）：

• 閾值激活策略：僅對置信度超過閾值（如≥0.9）的 token 進行并行解碼，低置信度 token 留待后續步驟處理。如圖 3 所示，該策略可在保證生成質量的前提下，并行輸出多個 token。
• 理論證明：當 (n+1)?≤1 時（n 為并行解碼 token 數，并且并行解碼的 n 個 token 的置信度都大于 1-?），貪婪解碼策略下并行解碼與順序解碼結果一致，從數學層面確保了生成邏輯的連貫性。

3. 偽代碼：分塊 KV 緩存與置信度感知并行解碼流程

以下是 Fast-dLLM 算法的核心偽代碼，結合了分塊 KV 緩存以及置信度感知并行解碼，無需訓練就可以在現有的開源 Diffusion LLM（如 LLaDA、Dream）上即插即用進行推理加速。

二、 性能突破

速度與精度的均衡優化

1. 長文本生成：27.6 倍端到端加速

在 LLaDA 模型上，針對 1024 token 的長文本生成任務，Fast-dLLM 將單步延遲從 0.26 秒降至 0.09 秒，整體耗時從 266 秒壓縮至 12 秒，實現 27.6 倍端到端加速。這一提升在代碼生成、數學推理等長序列場景中尤為顯著，例如 8-shot 提示的 GSM8K 任務中，加速后仍能保持 76% 的準確率。

2. 精度保持：損失 < 2% 的基準測試表現

在主流基準測試中，Fast-dLLM 的準確率損失控制在 2% 以內：

• GSM8K（5-shot）：LLaDA+Fast-dLLM 準確率為 78.5%，僅比基線低 0.8%，但吞吐量提升 8.1 倍（圖 5）。
• HumanEval（代碼生成）：準確率達 44.5%，較基線提升 1.2%，同時吞吐量提升 3.7 倍。
• 多模型兼容：在 LLaDA、Dream 等模型上均實現高效加速，驗證了技術的通用性。

三、 應用價值

無需訓練的即插即用方案

Fast-dLLM 的零訓練成本特性使其成為理想的推理優化工具，能夠快速集成到現有的系統中。對于那些已經在使用擴散模型的企業和開發者來說，可以在不改變模型架構和訓練流程的基礎上，直接利用 Fast-dLLM 提升推理效率，縮短長文本生成耗時，為實際部署提供更可行的方案。

四、 總結與展望

Fast-dLLM 通過分塊 KV 緩存與置信度感知并行解碼的創新組合，實現了擴散模型推理效率的跨越式提升，同時保持了生成質量的穩定性。其技術設計為非自回歸生成模型提供了新的優化范式，有望推動擴散模型在實時交互、長文本生成等場景中的廣泛應用。未來，隨著模型規模的擴大和蒸餾技術的深化，Fast-dLLM 或將進一步縮小與自回歸模型的性能差距，成為 LLM 推理加速的核心方案之一。