The rapid advancement of Large Language Models (LLMs) has driven growing demand for processing extended context sequences in contemporary applications. However, this progress faces two major challenges: performance degradation due to sequence lengths out-of-distribution, and excessively long inference times caused by the quadratic computational complexity of attention. These issues hinder the application of LLMs in long-context scenarios. In this paper, we propose Dynamic Token-Level KV Cache Selection (TokenSelect), a training-free method for efficient and accurate long-context inference. TokenSelect builds upon the observation of non-contiguous attention sparsity, using Query-Key dot products to measure per-head KV Cache criticality at token-level. By per-head soft voting mechanism, TokenSelect selectively involves a few critical KV cache tokens in attention calculation without sacrificing accuracy. To further accelerate TokenSelect, we design the Selection Cache based on observations of consecutive Query similarity and implemented efficient dot product kernel, significantly reducing the overhead. A comprehensive evaluation of TokenSelect demonstrates up to 23.84x speedup in attention computation and up to 2.28x acceleration in end-to-end latency, while providing superior performance compared to state-of-the-art long-context inference methods.


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