OasisKV: Scaling In-Decode KV Cache Beyond HBM with Lookahead Sparse Prefetching

Can Xiao, Sukmin Cho, Junbong We, Zhixiong Niu, Jianyi Cheng, Yiren Zhao, Youngjin Kwon, Yongqiang Xiong, Rui Ma, Junyi Liu

arXiv:2608.08097 · 2026-08-12 공개 · arXiv · PDF

long-context kv-cache llm-inference speculative-decoding sparse-attention memory-optimization vllm throughput-optimization

Abstract

Large language model (LLM) inference serving is increasingly constrained by memory rather than compute. As long-context and long-form reasoning workloads become more prevalent, the key-value (KV) cache dominates both memory footprint and memory traffic during LLM token generation, i.e., decode. In particular, HBM capacity has become a scarce and costly resource that heavily limits inference batch size and system throughput. This paper presents OasisKV, a memory-centric LLM inference system design that alleviates HBM capacity pressure by decoupling full KV-cache storage from HBM during LLM decoding. Because decode-time attention is naturally sparse, OasisKV keeps only the KV entries of the most relevant tokens in HBMs for attention computation. We observe that future important tokens can be predicted accurately in advance using lookahead tokens drafted by speculative decoding (SD). OasisKV employs an efficient attention background pipeline to identify important KV blocks. They are then prefetched from higher-capacity memory tiers (e.g., host or remote memory) and staged in HBMs before being used in the next decode step. We implement OasisKV based on vLLM. The lookahead prediction is accurate enough to keep accuracy within 0.7 points of full attention under a 2,048-token KV budget. This lets OasisKV turn sparsity into throughput gain: 1.69times over dense vLLM on the reasoning workload at 0.1 points of accuracy loss, and up to 2.1times on multi-GPU long-context serving. Under prefill--decode disaggregation, OasisKV reaches about 2times dense throughput while admitting each request with 6.5--9.7times less KV and holding 2.2-2.6 less decode-node host memory than full KV transfer.

한국어 요약

한 줄 요약

OasisKV는 추론 시 HBM 메모리 부담을 줄이며 1.69× 이상의 처리량 향상을 달성하는 키-벨류 캐시 최적화 시스템이다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

OasisKV는 추론 시 전체 KV 캐시를 HBM에 유지하지 않고, 필요 KV 블록만 HBM에 로드함으로써 메모리 용량 문제를 해결한다. 이는 추정된 미래 토큰(lookahead tokens)을 사용하여 중요 KV 블록을 사전에 예측하고, 이를 비동기적으로 prefetching하는 방식이다. 기존 희소 어텐션 접근법과 달리, OasisKV는 사전 토큰 생성 기법(EAGLE-3)을 활용하여 훈련 없이도 정확한 KV 액세스 패턴을 예측한다. 이로 인해 추가적인 예측기나 KV 양자화가 필요 없으며, 정확도 손실을 최소화하면서도 처리량을 향상시킬 수 있다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

OasisKV는 HBM 메모리벽을 돌파하여 대규모 LLM 추론의 처리량을 향상시키며, PD-디스어그리게이션 환경에서도 효율적으로 작동한다. 특히, 사전 토큰 생성 기법을 활용한 비동기 prefetching은 기존 KV retrieval 및 prefetch 접근법보다 낮은 오버헤드를 제공한다. 그러나 lookahead 기반 예측의 정확도가 모델 종류나 작업 유형에 따라 변동할 수 있으며, 이는 정확도 손실을 일정 수준 유지하는 데 영향을 줄 수 있다. 또한, 네트워크 대역폭이 낮은 환경에서는 off-GPU 트래픽 최적화가 필수적이다.

실용적 활용

OasisKV는 대규모 LLM 추론 서버, 특히 장문 추론 및 멀티-GPU 환경에서 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 웹 에이전트, 코드 생성 에이전트 등 장기 히스토리 유지가 필요한 작업에 적합하며, 서버 비용 절감과 처리량 향상에 기여할 수 있다.