Sample Count Is Not Enough: Candidate-Generation Strategy Shapes the Energy and Performance of LLM Test-Time Scaling

Mobina Kashaniyan, Ali Jannesari

arXiv:2609.19499 · 2026-09-20 공개 · arXiv · PDF

llm gsm8k test-time-scaling throughput candidate-generation batch-size gpu-energy latency

Abstract

Test-time scaling can improve large language model reasoning by generating and combining multiple candidate responses. In sampling-based methods, the inference budget is often described by the number of generated candidates, N. However, N tells us how many candidates are generated, not how they are executed. The same candidate budget can be produced in one batched generation call or split across several sequential calls with smaller batch sizes. We first study the effect of increasing N on reasoning accuracy using Phi-3-mini and Qwen2.5-1.5B on 500 GSM8K prompts. As expected, increasing N from 1 to 8 improves accuracy by 8.4 percentage points for Phi-3-mini and 18.4 points for Qwen2.5-1.5B. However, accuracy alone does not show the systems cost of using a larger candidate budget. We therefore fix N = 8 and compare four generation schedules: 1x8, 2x4, 4x2, and 8x1, where axb denotes a generation calls with b candidates per call. We measure latency, throughput, GPU-hours, and gross GPU-device energy while keeping the total candidate count fixed. On A100 GPUs, eight serial calls use 4.64-4.86x as much gross GPU-device energy and have 5.77-6.12x the P95 latency of one batched call with eight candidates. The same pattern appears across three independently scheduled A100 nodes per model and in short-output SciQ/V100 experiments. These results show that candidate count alone is not enough to describe the systems cost of multi-candidate test-time scaling. When candidates are independent and memory allows it, fewer generation calls with larger batch sizes are more efficient. Evaluations should therefore report not only candidate count and accuracy, but also generation schedule and GPU-level systems metrics.

한국어 요약

한 줄 요약

테스트 타임 스케일링에서 후보 생성 방식이 성능과 에너지 소비에 큰 영향을 미친다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

기존 테스트 타임 스케일링 연구는 후보 수(N)에만 초점을 맞추었으나, 실제로는 후보 생성 방식(배치 크기와 호출 횟수)이 시스템 성능에 큰 영향을 미친다는 점을 밝혔다.
예를 들어, 동일한 후보 수(N=8)라도 1×8(한 번의 대량 생성)과 8×1(8번의 소량 생성) 방식은 GPU 에너지 소비와 지연 시간에 큰 차이를 일으킨다.
이러한 차이는 모델의 메모리 용량과 독립적인 후보 생성 조건에서 더욱 두드러지며, 이는 기존 평가 지표가 시스템 효율성을 제대로 반영하지 못한다는 문제를 드러낸다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

이 연구는 테스트 타임 스케일링 평가에서 후보 수(N) 외에도 생성 스케줄과 GPU 수준 메트릭을 함께 고려해야 함을 강조한다.
이는 모델 성능과 병행해 시스템 효율성을 종합적으로 평가하는 데 기여할 수 있다.
한계점으로는 실험 대상 모델과 데이터셋이 제한적이며, 메모리가 충분하지 않은 경우 대량 생성이 불가능한 상황은 고려되지 않았다는 점이 있다.

실용적 활용

이 연구는 대규모 언어 모델을 활용한 실시간 추론 시스템 설계에 적용 가능하다. 특히, GPU 자원이 제한된 클라우드 환경이나 배치 처리가 가능한 인프라에서 후보 생성 방식을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.