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# Orpheus TTS - Benchmark com Continuous Batching

**Data:** 2024-12-25
**GPU:** NVIDIA RTX 4090 (24GB VRAM)
**Modelo:** canopylabs/orpheus-3b-0.1-ft (3B parametros)

## Resumo

Implementamos e testamos **Continuous Batching** com vLLM AsyncLLMEngine para o Orpheus TTS, conseguindo **12x mais capacidade** comparado ao uso sequencial.

## Resultados do Teste de Stress

| Requests Simultaneos | Taxa Sucesso | Tempo Wall-Clock | Audio Gerado | RTF | Usuarios Real-Time |
|---------------------|--------------|------------------|--------------|-----|-------------------|
| 4 | 100% | 2.93s | 11.61s | 0.253 | 4.0 |
| 8 | 100% | 2.94s | 22.78s | 0.129 | 7.8 |
| 12 | 100% | 3.13s | 34.05s | 0.092 | 10.9 |
| 16 | 100% | 4.03s | 50.77s | 0.079 | **12.6** |

## Comparacao

| Metodo | RTF | Usuarios Real-Time | Melhoria |
|--------|-----|-------------------|----------|
| Sequencial (orpheus_tts lib) | 0.85 | ~1 | baseline |
| Continuous Batching (4 req) | 0.253 | 4.0 | 4x |
| Continuous Batching (16 req) | 0.079 | 12.6 | **12x** |

## Otimizacoes Ativas (vLLM 0.13.0)

- Flash Attention 2
- Chunked Prefill
- Prefix Caching
- CUDA Graphs
- torch.compile

## Configuracao do Engine

```python
engine_args = AsyncEngineArgs(
    model="canopylabs/orpheus-3b-0.1-ft",
    dtype="bfloat16",
    max_model_len=4096,
    gpu_memory_utilization=0.9,
    max_num_seqs=16,  # Continuous batching
    enable_chunked_prefill=True,
    enable_prefix_caching=True,
    enforce_eager=False,
)
```

## Problema com a Biblioteca orpheus_tts

A biblioteca oficial `orpheus_tts` tem um bug onde o engine vLLM morre apos a primeira inferencia (`EngineDeadError`). A solucao e usar o `AsyncLLMEngine` do vLLM diretamente.

## Formato do Prompt Orpheus

```python
# Tokens especiais
START_TOKEN = 128259
END_TOKENS = [128009, 128260, 128261, 128257]
STOP_TOKEN = 128258
AUDIO_TOKEN_BASE = 128266

# Formato do prompt
prompt = f"{voice}: {text}"
# Depois adiciona os tokens especiais
```

## Decodificacao de Audio (SNAC)

Os tokens de audio sao organizados em frames de 7 tokens:
- Layer 0: offset 0
- Layer 1: offset 4096 (2 tokens por frame)
- Layer 2: offset 8192, 12288, etc. (4 tokens por frame)

## Latencia TTFT (Time-To-First-Token)

Medimos a latencia ate o primeiro chunk de audio ser gerado:

| Requisicoes Simultaneas | TTFT (min) | TTFT (max) | TTFF* (avg) |
|------------------------|------------|------------|-------------|
| 1 (sequencial) | 12ms | 12ms | **63ms** |
| 4 | 12ms | 28ms | **81ms** |
| 8 | 12ms | 29ms | **82ms** |
| 12 | 14ms | 32ms | **85ms** |
| 16 | 16ms | 38ms | **93ms** |

*TTFF = Time to First Frame (7 tokens = ~23ms de audio playable)

**Conclusao:** Mesmo com 16 requisicoes simultaneas, cada usuario recebe o primeiro chunk de audio em menos de **100ms** - imperceptivel para o usuario!

## Tecnicas de Otimizacao Utilizadas

### 1. Continuous Batching
Permite processar multiplas requisicoes simultaneamente na mesma GPU. Em vez de processar uma requisicao por vez (sequencial), o vLLM agrupa varias requisicoes e as processa em paralelo.

```python
max_num_seqs=16  # Ate 16 requisicoes simultaneas
```

### 2. Chunked Prefill + Prefix Caching
- **Chunked Prefill**: Divide o processamento do prompt em chunks menores, permitindo intercalar prefill de novas requisicoes com a geracao de tokens de requisicoes existentes
- **Prefix Caching**: Reutiliza computacoes de prefixos comuns entre requisicoes (como tokens especiais do Orpheus)

```python
enable_chunked_prefill=True
enable_prefix_caching=True
```

## Teste de Limite Maximo (max_num_seqs=256)

Testamos ate onde a RTX 4090 aguenta com frases curtas identicas:

| Users | Sucesso | TTFF Max | RTF |
|-------|---------|----------|-----|
| 32 | 100% | 116ms | 0.154 |
| 64 | 100% | 136ms | 0.125 |
| 128 | 100% | 228ms | 0.091 |
| 200 | 100% | 335ms | 0.284 |
| 256 | 100% | 413ms | 0.244 |

**Resultado:** 256 usuarios simultaneos sem erros, TTFF < 500ms.

## Teste Realista de Streaming (frases variadas)

Testamos com frases de tamanhos variados (curtas, medias, longas) para simular uso real:

| Users | Max Gap | RTF Max | Streaming com buffer 500ms |
|-------|---------|---------|---------------------------|
| 32 | 86ms | 3.67 | OK |
| 64 | 105ms | 4.51 | OK |
| 100 | 139ms | 5.98 | OK |
| 128 | 160ms | 6.88 | OK |
| 200 | 232ms | 9.80 | OK |
| 256 | 375ms | 11.78 | OK |

**Conclusao do teste realista:**
- Com buffer de ~500ms no cliente: ate 256 usuarios funcionam sem travamento
- Sem buffer (streaming puro): ~12-16 usuarios com RTF < 1.0
- Para aulas de idiomas com avatar: recomendado usar buffer no cliente

## Arquivos

- `scripts/orpheus_continuous_batching.py` - Script de teste de continuous batching
- `scripts/orpheus_stress_test.py` - Teste de stress com 4/8/12/16 usuarios
- `scripts/orpheus_ttft_test.py` - Teste de latencia TTFT
- `scripts/orpheus_max_users_test.py` - Teste de limite maximo de usuarios
- `scripts/orpheus_streaming_test.py` - Teste realista de streaming com frases variadas

## Conclusao

Com Continuous Batching + Chunked Prefill + Prefix Caching, uma unica RTX 4090 pode suportar:

**Streaming puro (sem buffer):**
- **~12-16 usuarios** com RTF < 1.0
- **12x melhoria** sobre o metodo sequencial
- **<100ms latencia** para primeiro audio

**Com buffer de 500ms no cliente:**
- **Ate 256 usuarios simultaneos** sem travamento
- Max gap entre frames: 375ms (coberto pelo buffer)
- Ideal para aplicacoes de avatar interativo e aulas de idiomas

**Recomendacao:** Para aulas de idiomas, usar buffer de ~500ms no cliente para suportar mais usuarios.