The Next Generation of Speculative Decoding: DFlash and Spec V2

发表时间: 2026-06 · Blog post by Z Lab, Modal, and SGLang Teams (lmsys.org)

原文: https://lmsys.org/blog/2026-06-15-next-generation-speculative-decoding-dflash-v2

作者/机构:Z Lab, Modal, and SGLang Teams(Z Lab:Jian Chen, Yesheng Liang, Zhijian Liu;Modal:David Wang, Charles Frye;SGLang:Qiaolin Yu, Liangsheng Yin, Khoa Pham)
发布时间:2026年6月15日


速读

一句话结论 该工作提出了融合块扩散并行生成与跨层键值注入的推测解码模型 DFlash,配合 SGLang 消除主机同步开销的 Spec V2 重叠调度引擎,使 Qwen 3.5 397B-A17B 的端到端推理吞吐达到原生多词元预测的 1.5 倍、无推测基线的 4.3 倍以上。

要解决什么问题 大语言模型自回归生成面临严重的内存墙瓶颈,逐词生成的算术强度(计算与访存之比)极低。推测解码(用小型草稿模型提议候选词元并由目标模型并行验证的技术)可缓解此问题,但现有主流方案(如 EAGLE 系列,以及 Gemma 4 和 DeepSeek-V4 中的原生多词元预测 MTP)在草稿模型内仍采用逐词自回归生成。这种串行机制导致草稿延迟随词元数线性增加,迫使工程实践只能采用极浅层草稿网络,限制了候选词质量;同时,EAGLE-3 等方法仅在草稿网络输入层引入目标模型特征,信号随网络深度加深而衰减,难以支撑更长推测。若直接训练小型块扩散模型则接受率过低,使用大型扩散模型(如 SpecDiff-2)又会带来高显存与计算开销。此外,主机与设备间的频繁同步开销也严重阻碍了硬件性能的充分释放。

怎么做的 DFlash 的核心思路是用单步并行扩散替代自回归串行草稿,并用目标模型键值缓存直接增强深层草稿质量,同时在引擎侧消除调度同步瓶颈。关键设计包含三个层面:首先是块扩散草稿模型,仅需单次前向传播便可并行生成整块草稿词元,将草稿延迟转化为硬件友好的常数级开销,在生成 4、8 乃至 16 个词元时延迟均显著低于浅层自回归草稿器;其次是键值(KV)注入机制,针对深层草稿特征衰减难题,直接提取目标模型上下文隐藏状态 $H_{\text{target}}$,并在草稿模型的每一层直接投影注入其 KV 缓存:

$$\text{KV}_{\text{draft}}^{(l)} = \text{Projection}^{(l)}(H_{\text{target}})$$


这使草稿模型免于从头建模全部上下文,并在深层持续保留强上下文约束以提升接受长度;最后在 SGLang 引擎实现中,系统引入分层批处理投影与融合算子实现即时物化,避免保存中间隐层张量占用显存并支持基数树前缀缓存共享,同时借助 Spec V2 重叠调度器,将第 $N-1$ 批次的主机清理工作与第 $N$ 批次的 GPU 执行重叠,并将第 $N$ 批次的显存分配与第 $N-1$ 批次的 GPU 执行重叠,消除了主机同步断点。

效果如何 实验在 Modal 平台的 8 张 B200 上测试了 BF16 精度的 Qwen 3.5 397B-A17B(开启思考模式,最大生成 4096 词元),并在单张 B200 上测试了 Qwen 3-4B 与 3-8B。对比基线包括自回归推测代表 EAGLE-3(5 层结构)、原生多词元预测 MTP 路线(最长 7 步)及无推测基线。在 Qwen 3.5 397B-A17B 的 HumanEval 测试中(并发 1,块大小 16),DFlash 达到基线吞吐的 4.3 倍以上、原生 MTP 的 1.5 倍,并在 GSM8K、HumanEval 和 MT-Bench 的并发 1 至 32 场景下全面超越原生 MTP。在 Qwen 3-4B 上,5 层 DFlash 在接受长度与 5 层 EAGLE-3 相当的情况下,端到端加速比全面胜出(GSM8K 达到 3.3 倍对 2.1 倍,HumanEval 达到 3.2 倍对 2.2 倍,MT-Bench 达到 2.2 倍对 1.4 倍)。消融实验显示,纯扩散模式在接受长度较低时依然超越 EAGLE-3 的加速比,纯注入模式则将接受长度提升至 4.8。在系统层面,Spec V2 调度器使 Qwen 3-8B(并发 32)吞吐从 11.4 ktok/s 提升超 33% 至 15.3 ktok/s;小米 MiMo v2.5-Pro-UltraSpeed 亦采用该方案达成了超 1000 output tps。其代价在于草稿与目标模型状态强绑定,高度依赖底层融合算子与物化优化来避免显存开销。

A1 主要贡献

在基于 Transformer 架构的大语言模型(LLM)推理部署中,自回归(Autoregressive)解码机制导致输出必须逐 token 串行生成,算术强度(Arithmetic Intensity)极低,难以充分饱和现代硬件(如 GPU、TPU)的计算吞吐。推测解码(Speculative Decoding)作为加速推理的标准范式,通过小型草稿模型(Draft Model)预测候选 token,并由目标大模型并行验证。然而,主流方案(包括 EAGLE 系列以及 Gemma 4、DeepSeek-V4 等原生搭载的 Multi-Token Prediction/MTP 模块)依然在草稿模型中采用串行自回归生成,导致草稿生成过程依然受到硬件低利用率的瓶颈限制,且草稿开销随推测长度线性增长。针对已有方案要么直接训练小型块扩散(Block Diffusion)模型导致接受长度(Acceptance Length)极低,要么使用大型扩散模型(如 SpecDiff-2)导致显存开销和延迟不可承受的困境,本文及合作团队提出并工程落地了新一代推测解码技术体系:

  1. 提出 DFlash 推测解码架构:采用轻量级块扩散草稿模型实现候选 token 块的单次前向并行生成,结合核心创新的 KV 注入(KV Injection) 机制——将目标模型上下文隐层表征直接映射并注入到草稿模型的每一层 KV Cache 中,使得草稿模型无需重新建模全量上下文,仅需聚焦预测下一块 token,极大提升了候选 token 的接受长度并显著压缩了推测延迟。
  2. 在 SGLang 引擎中实现高吞吐系统级工程集成:解决了草稿模型与目标模型之间的状态绑定难题,提出了即时物化(Immediate Materialization)策略,设计了跨层批处理线性投影(Layer-batched Linear Projection)与 Norm+RoPE 融合 Triton 算子,消除显存占用并保证前缀 Radix Cache 的高效复用。
  3. 结合 SGLang 推测引擎 Spec V2 的重叠调度(Overlap Scheduling)架构:深度重叠主机端元数据处理/停机词检测(pop_and_process)以及批次 KV 分配(prepare_for_decode)与 GPU 计算流水线,彻底消除推测解码中的 Host-Device 同步开销,使端到端吞吐提升超 33%。
  4. 开源全面验证与高性能模型发布:发布针对 Qwen 3.5 397B-A17B 的开源 DFlash 推测模型。在 8×B200 硬件环境及 HumanEval 评测集单并发下,取得超过基线模型 4.3 倍、原生 MTP 方案 1.5 倍的吞吐加速,并在 1 至 32 全并发区间全面超越原生 MTP。

Fig 1 8xB200 硬件下 Qwen 3.5 397B-A17B 在 HumanEval 数据集上的吞吐与接受长度对比
工作负载:Qwen 3.5 397B-A17B (BF16),数据集:HumanEval。评测配置:贪婪解码(Greedy Decoding),启用思考模式(Thinking Enabled),最大新生成 token 数量 4096。硬件:Modal 平台 8×B200。接受长度为所有请求的平均值。草稿 token/块大小选择以最大化吞吐为准(MTP:7步;DFlash:块大小 16)。


A3 背景知识/关键Observation/设计原则

Fig 2 DFlash 架构示意图:通过并行块扩散与 KV 注入实现推测解码
Fig 2 DFlash 架构示意图:通过并行块扩散与 KV 注入实现推测解码

A2 方法细节

Fig 3 DFlash 块扩散推测与 EAGLE 串行推测的延迟与生成模式对比
Fig 3 DFlash 块扩散推测与 EAGLE 串行推测的延迟与生成模式对比

汇总方法细节中的引用

下表汇总了本文方法与设计阐述中所引用的核心参考文献、标号、原文上下文描述及对应详细索引信息:

引用标注 原文对应描述及分析 详细索引信息
[Speculative Decoding] “Speculative decoding addresses this bottleneck by using a smaller, faster draft model to propose multiple tokens, which are then verified in parallel by the target LLM...” 用于引入推测解码的基础概念。 Leviathan et al., Fast Inference from Transformers via Speculative Decoding, 2022. URL: https://arxiv.org/abs/2211.17192
[EAGLE series] / [EAGLE] “...many speculative decoding methods, like the EAGLE series and the native multi-token prediction (MTP)... still rely on sequential autoregression – but in the draft model instead of the target.” 指出 EAGLE 等方法在草稿器中依赖串行自回归的缺陷;后文指出其特征信号随层数衰减。 Li et al., EAGLE: Speculative Sampling Requires Rethinking Feature Uncertainty, 2024 / 2025. URL: https://arxiv.org/abs/2503.01840
[DFlash] “That’s why Z Lab developed DFlash, which uses a lightweight block diffusion draft model to generate an entire block of draft tokens in parallel...” 介绍 DFlash 原创工作出处。 Chen et al., DFlash: Block Diffusion for Efficient Speculative Decoding, 2026. URL: https://arxiv.org/abs/2602.06036
[SpecDiff-2] “...while using an existing large diffusion LLM like SpecDiff-2 as the drafter introduces a large memory footprint and high drafting cost.” 用于对比大型扩散草稿模型高显存与高延迟的弊端。 SpecDiff-2: Large Scale Diffusion Draft Models for LLMs, 2025. URL: https://arxiv.org/abs/2511.00606
[Medusa] “Inspired by previous methods like Medusa, EAGLE and MTP... we extract hidden representations of the context tokens from the target model.” 用于说明从目标模型借用表征的设计灵感来源。 Cai et al., Medusa: Simple LLM Inference Acceleration with Multiple Decoding Heads, 2024. URL: https://arxiv.org/abs/2401.10774
[Gloeckle et al., 2024] “Inspired by previous methods like Medusa, EAGLE and MTP (Gloeckle et al., 2024; Samragh et al., 2025)...” 阐述原生多 token 预测架构的相关工作背景。 Gloeckle et al., Better & Faster Large Language Models via Multi-token Prediction, 2024. URL: https://arxiv.org/abs/2404.19737
[Samragh et al., 2025] 同上,作为原生多 token 预测(MTP)关键参考文献之一。 Samragh et al., Scaling Multi-Token Prediction for Efficient Speculative Decoding, 2025. URL: https://arxiv.org/abs/2507.11851

A7 补充细节:SGLang 推理引擎工程实现与 Spec V2 重叠调度


A4 实验环境与运行配置

评测数据集及任务类型

关键模型配置

硬件配置

软件配置与部署启动参数


A4 实验结果

1. Qwen 3-4B 上的架构消融与速度/接受长度对比

在控制训练数据和层数(均为 5 层)相同的前提下,对比 EAGLE-3、完整 DFlash 及各消融变体的端到端指标,指标格式为 接受长度 / 加速倍数:

评估任务 EAGLE-3 (5层) DFlash (完整架构) DFlash (仅扩散消融) DFlash (仅KV注入消融)
GSM8K 4.2 / 2.1x 4.2 / 3.3x 3.5 / 2.9x 4.8 / 2.4x
HumanEval 4.3 / 2.2x 4.0 / 3.2x 3.5 / 2.9x 4.6 / 2.3x
MT-Bench 3.1 / 1.4x 3.0 / 2.2x 2.6 / 2.0x 3.4 / 1.5x

2. Qwen 3.5 397B-A17B 旗舰模型在大规模集群上的推测基准

在 8×B200 集群上,全面对比无推测基线(Baseline)、原生 MTP(7 步)与 DFlash(块大小 16):

Fig 4 Qwen 3.5 397B-A17B 在不同数据集与不同并发下的吞吐与加速对比
详细评测基线数据及复现配置公开于 Hugging Face 仓库中。

3. Spec V2 引擎调度重叠优化收益


A5 结论

本文阐述了由 Z Lab、Modal 和 SGLang 联合研发落地的全新推测解码方案 DFlash 及其配套系统 Spec V2。针对传统推测解码以及原生 MTP 模块在草稿模型中依赖串行自回归的根本缺陷,DFlash 创造性地结合了块扩散并行推测与跨层 KV 注入机制,既消除了串行草稿延迟,又解决了小型草稿器脱离上下文导致的低接受率问题。在工程系统侧,通过 SGLang Spec V2 引擎实现的即时物化、融合算子优化以及重叠调度器,彻底排除了显存挤占与主机端同步气泡。全尺度实验表明,该方案不仅在轻量级模型上表现优异,更在 Qwen 3.5 397B-A17B 等旗舰规模 MoE 架构上实现了跨并发、跨任务对原生 MTP 的全面超越(单并发吞吐超基线 4.3 倍、超 MTP 1.5 倍)。

未来展望与应用方向:

  1. 跨架构普适性推广:块扩散并行推测结合 KV 注入的技术范式具备通用性,未来可广泛迁移训练至各类主流开源及闭源目标 LLM 架构中。
  2. 超高速端侧与云端部署整合:DFlash 架构已在小米 MiMo v2.5-Pro-UltraSpeed 上验证了实现超过 1000 output tps 的能力,未来将在更多超低延迟对话与大规模推理场景中实现全行业开源社区赋能。