Large language models (LLMs) with growing model sizes use many GPUs to meet memory capacity requirements, incurring substantial costs for token generation. To provide cost-effective LLM inference with relaxed latency constraints, recent studies proposed to expand GPU memory by leveraging the host memory. However, in such host memory offloading, the host-GPU interconnect becomes a performance bottleneck for the transfer of weights and key-value (KV) cache entries, causing the underutilization of GPUs. To address the challenge, we introduce CAPTURE, an LLM inference system with KV-activation hybrid caching. The activation cache stores activation checkpoints instead of keys and values during intermediate inference stages, requiring half of the memory capacity compared to the conventional KV cache. While model parameters are transferred to GPU from host memory, idle GPU resources can be utilized for the partial recomputation. To balance the latency of activation recomputation and parameter loading, our KV-activation hybrid caching scheme determines the optimal ratio between KV and activation caches to manage both recomputation time and data transfer times. CAPTURE achieves 2.19x throughput improvement over the state-of-the-art prior work for offloading both model weights and KV cache.


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