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핵심 요약
vLLM은 PagedAttention과 연속 배칭을 통해 KV 캐시 메모리 낭비를 줄이고 처리량을 극대화한다. 특히 하이브리드 아키텍처인 Jamba 모델 지원을 통해 대규모 모델도 효율적으로 서빙할 수 있는 환경을 제공한다.
배경
LLM의 크기가 커짐에 따라 추론 시 발생하는 메모리 부족과 낮은 처리량 문제를 해결하기 위한 고성능 서빙 엔진의 필요성이 대두되었다.
대상 독자
LLM 서비스를 구축하려는 엔지니어, 인프라 최적화에 관심 있는 개발자
의미 / 영향
vLLM과 같은 고성능 추론 엔진의 발전으로 기업들은 고가의 GPU 자원을 더 효율적으로 사용할 수 있게 되었다. 특히 Jamba와 같은 하이브리드 아키텍처 지원이 강화되면서, 긴 문맥 처리와 빠른 추론 속도를 동시에 요구하는 실무 환경에서 선택할 수 있는 모델과 엔진의 폭이 넓어졌다.
챕터별 상세
01:20
LLM 추론의 기본 흐름과 과제
LLM 추론은 입력 텍스트를 토큰화한 뒤 모델을 통해 다음 토큰의 확률 분포(Logits)를 계산하는 과정이다. 생성된 토큰을 다시 입력에 포함시켜 반복하는 자기회귀(Auto-regressive) 방식을 취한다. 이 과정에서 GPU 메모리 활용도를 높이기 위해 배치 크기를 키워야 하며, 각 요청의 생성 길이가 달라 발생하는 비효율을 해결하는 것이 핵심 과제이다.
- •토큰화된 입력이 모델을 거쳐 Softmax 함수를 통해 다음 토큰 확률로 변환된다
- •자기회귀 생성 방식은 매 토큰마다 모델 전체를 다시 통과해야 하므로 연산 집약적이다
- •단일 사용자 처리를 넘어 데이터 센터급 하드웨어에서 다수 요청을 동시 처리하는 효율성이 중요하다
06:40
추론 성능의 병목: KV 캐시와 메모리 관리
추론 속도를 높이기 위해 이전 연산 결과를 저장하는 KV 캐시를 사용하지만, 이는 막대한 GPU 메모리를 점유한다. 예를 들어 13B 모델을 A100 40GB에서 구동할 때 단일 요청의 KV 캐시가 수 GB를 차지할 수 있다. 기존 방식은 요청마다 최대 길이에 맞춰 메모리를 미리 할당하므로 실제 사용되지 않는 빈 공간이 생기는 단편화 문제가 심각했다.
- •KV 캐시는 중복 계산을 방지하여 디코딩 속도를 가속화하지만 메모리 소모가 매우 크다
- •기존의 정적 메모리 할당 방식은 메모리 단편화로 인해 실제 GPU 용량의 일부만 활용하게 만든다
- •긴 문맥을 처리할수록 KV 캐시 크기가 기하급수적으로 늘어나 서빙 가능한 요청 수가 제한된다
09:30
vLLM의 혁신: PagedAttention과 연속 배칭
vLLM은 운영체제의 가상 메모리 기법에서 영감을 얻은 PagedAttention을 도입했다. KV 캐시를 작은 물리적 블록(페이지)으로 나누어 관리함으로써 메모리 단편화를 거의 0%에 가깝게 줄였다. 또한 연속 배칭(Continuous Batching)을 통해 요청이 끝날 때까지 기다리지 않고 토큰 단위로 새로운 요청을 배치에 투입하여 GPU 가동률을 극대화했다.
- •PagedAttention은 불연속적인 물리 메모리 블록을 논리적으로 연결하여 메모리 낭비를 제거했다
- •연속 배칭은 요청별 생성 속도 차이로 발생하는 GPU 유휴 시간을 최소화한다
- •이러한 기법들의 조합으로 기존 시스템 대비 처리량을 수 배 이상 향상시켰다
12:10
성능 최적화를 위한 추가 기능들
vLLM은 접두사 캐싱(Prefix Caching), 양자화(Quantization), 분산 추론 등 다양한 최적화 기능을 제공한다. 접두사 캐싱은 시스템 프롬프트처럼 반복되는 입력을 캐싱하여 연산량을 줄이며, 양자화는 FP16 가중치를 INT8이나 FP8로 압축하여 메모리 사용량을 절반 이하로 낮춘다. 또한 텐서 병렬화(Tensor Parallelism)와 파이프라인 병렬화를 통해 단일 GPU에 담기지 않는 거대 모델을 여러 장의 GPU에서 나누어 처리한다.
- •자동 접두사 캐싱은 RAG나 멀티턴 대화에서 중복 연산을 획기적으로 줄여준다
- •양자화 기법은 약간의 정확도 손실로 처리량을 높이고 하드웨어 비용을 절감한다
- •분산 추론 기술을 통해 수천억 파라미터 규모의 모델도 여러 노드에 걸쳐 서빙 가능하다
19:50
Jamba 모델 지원 및 실전 서빙 사례
AI21 Labs의 Jamba 모델은 Transformer와 Mamba 아키텍처가 결합된 하이브리드 모델이다. vLLM은 초기에는 Mamba 계열을 지원하지 않았으나, 커뮤니티 기여를 통해 Jamba를 위한 최적화된 커널과 양자화 기법을 추가했다. 800GB 이상의 메모리가 필요한 Jamba-Large 모델을 INT8 양자화와 8개 H100 GPU 병렬 처리를 통해 실제 서빙하는 환경을 구축했다.
- •Jamba는 Transformer의 어텐션과 Mamba의 상태 공간 모델을 결합한 혁신적 구조이다
- •vLLM에 Jamba 전용 Experts INT8 양자화 기법을 도입하여 메모리 요구 사항을 400GB 수준으로 낮췄다
- •오픈소스 엔진인 vLLM을 통해 최신 하이브리드 아키텍처 모델도 즉시 프로덕션에 적용 가능하다
실무 Takeaway
- PagedAttention을 활용하면 KV 캐시 메모리 단편화를 제거하여 동일 하드웨어에서 더 많은 동시 접속자를 수용할 수 있다
- RAG 시스템 구축 시 반복되는 컨텍스트를 자동 접두사 캐싱(Prefix Caching)으로 처리하면 첫 번째 토큰 생성 시간(TTFT)을 대폭 단축할 수 있다
- 대규모 모델 서빙 시 INT8 양자화를 적용하면 정확도 손실을 최소화하면서도 필요한 GPU 메모리를 50% 이상 절감하여 운영 비용을 낮출 수 있다
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출처 · 인용 안내
원문 발행 2025. 12. 23.수집 2026. 02. 21.출처 타입 YOUTUBE
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