随着大模型技术的爆发✿★◈，AI Infra 已成为基础设施领域的核心战场✿★◈。过去1年多的时间✿★◈，我们团队落地了多个大模型应用✿★◈，包括语音合成大模型✿★◈、内容理解✿★◈、生成式推荐大模型✿★◈，跑通大模型训练到推理的全链路✿★◈。踩了很多坑✿★◈，也积累了不少经验✿★◈。本文将分享传统后台工程师积累的技术栈和方法论✿★◈，如何延续并迁移到 AI 系统✿★◈，并系统性拆解 AI Infra 的硬件✿★◈、软件✿★◈、训练和推理挑战✿★◈。

　　经济基础决定上层建筑✿★◈。软件层面的架构设计✿★◈，无法脱离硬件约束✿★◈。了解现代 AI 硬件特性非常有必要✿★◈。

　　传统基础设施以 CPU 为核心✿★◈，通过多线程和微服务构建分布式系统✿★◈，处理高并发请求（如 Web 服务）✿★◈。这些都有成熟的方法论了（如“海量服务之道）✿★◈。主要工作是逻辑事务的处理尊龙凯时新版APP首页✿★◈，瓶颈在网络 I/O 和 CPU 核心数量圣衣神话交易所✿★◈。发展到今天✿★◈，硬件已经很少是制约 CPU 系统设计的瓶颈✿★◈。

　　而 AI Infra 以 GPU 为核心✿★◈，其设计目标从逻辑事务处理转向高吞吐浮点计算✿★◈。此时CPU 多线程被 GPU 并行计算替代✿★◈，内存被显存替代✿★◈。如下图所示✿★◈，H20单卡96GB显存✿★◈，可以提供44TFlops的单精度浮点运算✿★◈，算力和访存带宽是主流CPU数十倍甚至数百倍✿★◈。每台机器安装8卡=768GB显存尊龙凯时首页✿★◈，另外还有 CPU 192核384线TB 内存✿★◈。

　　为什么 GPU 会成为核心？是因为 LLM 大模型每次生成一个 token✿★◈，都需要读取全量的模型参数✿★◈。传统的 CPU + 内存的算力和带宽无法满足如此恐怖的计算密度✿★◈，计算和通信都必须转移（offload）到 GPU 内完成✿★◈。CPU 成为数据搬运工和“辅助处理器”✿★◈。

　　为了更直观地理解这个计算密度✿★◈，我们做一个简单的计算✿★◈。不考虑计算的延时✿★◈，LLM 大模型生成一个 token 的耗时公式计算为✿★◈。

　　显而易见✿★◈，我们的现在身处新的一轮烈火烹油的硬件革命的历史进程中✿★◈，各种专用硬件✿★◈、专用网络层出不穷✿★◈。DeepSeek-R1 和 QWen3-235B 千亿级参数训练需千卡 GPU 集群协同✿★◈，通过专用网络互联构建“AI超算”✿★◈，其设计逻辑与以前的 IBM 大型机惊人相似——以硬件集中化换取极致性能与可靠性✿★◈。

　　传统 Infra 的分布式理念貌似在 AI 时代失效了✿★◈。传统 Infra 追求横向扩展✿★◈，而 AI Infra 呈现 “AI 大型机”特性✿★◈，是因为传统后台服务的可以容忍毫秒级延迟✿★◈，但 AI 集群不行✿★◈，GPU 的算力是 CPU 的数百倍✿★◈，微秒级的延时等待也会造成很大的算力损耗✿★◈，需要硬件的高度集成✿★◈。在可预见的1-3年的未来✿★◈，这样的专用硬件+网络的集中式架构很难发生比较大的改变✿★◈。

　　回顾历史✿★◈，我们总是在寻求科技平权✿★◈。前人推动“去IOE”（IBM小型机✿★◈、Oracle数据库✿★◈、EMC存储）✿★◈，用分布式廉价x86 pc机替代集中式高端硬件✿★◈，本质上是利用软件创新重构一个高可用+低成本的互联网基础设施✿★◈。AI大型机是技术发展必由之路✿★◈，但不是终极形态✿★◈。长期（5年）来看✿★◈，必然会出现 AI 去 NVIDIA 化✿★◈，重演“去 IOE”的历史✿★◈。

　　相比传统后台应用的增删查改✿★◈，AI 应用的新范式是模型训练和推理✿★◈。模型训练是指通过海量数据拟合出一个复杂的神经网络模型✿★◈，推理就是利用训练好的神经网络模型进行运算圣衣神话交易所人生就是博中国区官方网站✿★◈，✿★◈，输入的新数据来获得新的结论✿★◈。

　　举个例子✿★◈，训练就是根据 年龄, 身高 的分布使用最小二乘法拟合模型 y = ax + b✿★◈，推理就是利用这个模型 y = ax + b✿★◈，输入一个新的年龄✿★◈，预测身高✿★◈。

　　工欲善其事✿★◈，必先利其器✿★◈。传统后台应用依赖 tRPC 或 Spring 等微服务框架✿★◈，帮助我们屏蔽负载均衡✿★◈、网络通信等底层细节✿★◈，我们可以把精力放在业务实现上✿★◈。

　　与之相似✿★◈，AI 应用则依赖深度学习框架✿★◈。如果没有深度学习框架✿★◈，我们就可能陷入在茫茫的数学深渊中✿★◈，挣扎于痛苦的 GPU 编程泥潭里✿★◈。有了深度学习框架✿★◈，我们才可以把所有精力花在设计模型和创新本身上✿★◈，而不用关注底层的实现细节✿★◈，极大降低了 AI 应用的门槛✿★◈。

　　大家可能听说过不同的深度学习框架——Tensorflow✿★◈，PyTorch✿★◈。现在是2025年✿★◈，不用纠结选哪个✿★◈，因为 PyTorch 就是 AI 模型训练✿★◈、推理的深度学习框架的事实标准✿★◈。开源模型和代码都是 PyTorch 一边倒✿★◈。

　　得益于动态计算图✿★◈、自动微分和丰富的 Tensor操作算子✿★◈，PyTorch 能帮助我们快速实现模型设计✿★◈。如下图所示✿★◈，只需要描述模型结构+待学习的网络参数✿★◈，不需要关心数学计算和 GPU 编程的细节✿★◈。

　　绝大部分的 AI 应用✿★◈，的确不需要我们手写数学计算的 GPU 代码✿★◈。但为了满足模型创新的需求✿★◈，有必要学习 GPU 编程✿★◈。例如 Meta 发布的 HSTU 生成式推荐模型✿★◈，核心的 hstu_attn 计算✿★◈，如果直接用 PyTorch 框架算子组合实现✿★◈，则时间复杂度为 O(M * N²) ✿★◈，其中 M 和 N 是一个数量级✿★◈，相当于O(N³) ✿★◈。但是通过自定义内核✿★◈，可以优化到 O(N²)✿★◈。

　　在 GPU 核心上运行的代码片段称为内核（kernel）✿★◈。编写高性能的 CUDA 内核需要丰富的经验✿★◈，并且学习曲线陡峭✿★◈。因为我们习惯于传统 CPU 编程处理串行的计算任务✿★◈，通过多线程提高并发度✿★◈。而 GPU 采用 SIMT 架构✿★◈，有大量计算单元（CUDA Cores）和数万个线程✿★◈，但是被分组后的线程同一时刻只能执行相同的指令✿★◈。这与传统CPU的串行思维✿★◈、不同线程处理不同任务✿★◈，存在根本性冲突✿★◈，导致 GPU 编程学习难度大✿★◈。

　　现在推荐使用 Triton 编程语言完成 GPU kernel 的开发✿★◈，它提供类似 Python 的语法✿★◈，无需深入理解 GPU 硬件细节（如线程调度圣衣神话交易所✿★◈、共享内存管理）✿★◈，而且和 PyTorch 深度学习框架的生态结合更好✿★◈。推荐这个 Triton-Puzzles-Lite 项目用作 Triton 的入门学习✿★◈。

　　以前大部分模型还可以轻松导出 ONNX✿★◈、TorchScript 等用 C++ 部署✿★◈，现在随着对模型的细粒度优化和控制越来越多✿★◈，比如 KV Cache✿★◈、MoE/模型并行✿★◈、复杂的if/for控制流✿★◈、自定义 Triton 算子等✿★◈，模型越来越难以脱离 Python 的控制部署✿★◈。笔者也从“C++ Boy”变成“Python Boy”✿★◈。

　　我们一直追求更大的模型✿★◈，DeepSeek-R1 有数千亿参数✿★◈，使用了数十万亿 token 的训练数据✿★◈，涉及算力✿★◈、存储✿★◈、通信等多维度的工程挑战✿★◈。有了 PyTorch 深度学习框架✿★◈，只是 AI 应用落地的万里长征第一步✿★◈。接下来我们将讨论深度学习框架之上的模型训练的挑战✿★◈。

　　DeepSeek-R1 模型大小=670GB✿★◈，而一台 GPU 服务器有8张H20卡✿★◈，提供768GB显存✿★◈，足够存下一个完整的 DeepSeek 模型✿★◈。那整个行业为什么还投入大量的人力物力✿★◈，顶着通信延时造成的算力损耗✿★◈，也要建设分布式 GPU 集群？核心原因是单台 GPU 服务器“存不下”✿★◈。

　　如下图所示的模型✿★◈，x1/x2/x3/x4 这些中间变量就是中间激活✿★◈。它们是神经网络前向传播（Forward）的“堆栈帧（Stack Frame）”——记录每一层处理后的数据快照✿★◈，确保反向传播（Backward）可回溯梯度✿★◈，根据预测误差调整模型权重✿★◈，最小化损失函数尊龙凯时新版APP首页✿★◈。

　　这些中间激活为什么会成为显存刺客？是因为中间激活的空间复杂度是和输入数据长度正相关的✿★◈，特别的✿★◈，对于 LLM 来说是O（N²）正比于输入数据长度的平方✿★◈，这是一个指数爆炸式增长的数字✿★◈。类似函数递归不断增长的“堆栈帧”导致的内存溢出✿★◈，我们遇到了AI Infra 的 OOM（Out of Memory）挑战✿★◈。

　　借助 PyTorch 的 profiler 工具✿★◈，我们可以直观地看到这个OOM圣衣神话交易所✿★◈。下图是训练过程中不同阶段的显存分配✿★◈，包括模型参数（Parameter）✿★◈、优化器状态（Optimizer state）✿★◈、中间激活（Activation）✿★◈、梯度（Gradient）✿★◈。在前向传播结束后出现一个显存占用（中间激活）的尖峰AG尊龍凱時✿★◈，远大于模型参数本身尊龙凯时app官方下载✿★◈。

　　传统后台服务使用分片（Sharding）策略解决单机存不下的问题✿★◈。与之相似✿★◈，AI Infra 提出“模型并行”✿★◈，就是将单个大模型拆分为多个子模块✿★◈，并分布到不同 GPU 上协同工作✿★◈，通过通信来共享数据✿★◈。有不同的“拆分模型”策略✿★◈，例如按模型模块划分✿★◈，按张量（Tensor）划分的✿★◈，也可以将多种拆分方法结合起来一起使用✿★◈。PyTorch 深度学习框架和开源方案 Megatron 都能帮助我们高效地实现模型并行✿★◈。

　　建设分布式 GPU 集群的原因✿★◈，一个是因为“单机存不下”✿★◈，另外一个是提升训练速度✿★◈。但简单的机器堆叠✿★◈，算力不一定有线性的增长✿★◈。因为分布式训练并不是简单地把原来一个 GPU 做的事情分给多个 GPU 各自做✿★◈。需要协调多个 GPU 机器计算任务分配✿★◈，GPU 机器之间的数据传输会引入网络IO和通信开销✿★◈，降低训练速度✿★◈。

　　如下图所示的常规训练时序是串联式的圣衣神话交易所✿★◈，存在许多网络 IO✿★◈，GPU 利用率低✿★◈，训练速度慢圣衣神话交易所✿★◈。我们希望 GPU 大部分时间都在计算✿★◈，而不是花在数据传输或等待其他 GPU 的工作上✿★◈。

　　传统后台服务我们通过多线程或异步 IO 避免阻塞 CPU 主线程✿★◈，与之相似✿★◈，AI Infra 提出通信计算重叠的方法论尊龙凯时官网✿★◈。GPU 编程模型中有流（stream）的概念✿★◈，一个流表示一个 GPU 操作队列✿★◈，该队列中的操作将以添加到流中的先后顺序而依次执行✿★◈。不同流之间可以并行执行✿★◈。那么通过令计算和通信操作加入不同的流中✿★◈，可以做到二者的执行在时间上重叠✿★◈。例如 TorchRec 的 训练流水线 能帮助我们实现高效的通信计算重叠✿★◈。

　　AI 模型训练成本很高尊龙凯时人生就是博✿★◈，优秀如 DeepSeek 也要烧掉500万美金✿★◈，但再贵也只是一次性的✿★◈。而模型推理的成本更高✿★◈，因为用户越多✿★◈，AI 模型推理次数越多✿★◈，总成本越高✿★◈。模型推理面对的挑战和传统 Infra 非常相似✿★◈，主要是2个挑战✿★◈：高吞吐（降本）✿★◈，低延时（增效）✿★◈。

　　现在的 AI 模型越来越多地直面终端用户✿★◈，需要和用户进行实时的交互✿★◈，例如文本对话和语音合成✿★◈。模型推理耗时过高✿★◈，会直接造成用户体验受损✿★◈，用户流失与转化率下降✿★◈。

　　传统后台服务我们使用链接复用✿★◈、缓存✿★◈、柔性等技术降低系统响应时间✿★◈。AI Infra 也有相似的做法尊龙凯时新版APP首页✿★◈。

　　在 GPU 编程模型中✿★◈，CPU 和 GPU 是异构的✿★◈，CPU 通过 API（例如 CUDA API） 向 GPU 提交任务尊龙凯时新版APP首页✿★◈，然后异步等待 GPU 的计算结果返回✿★◈。GPU 收到任务后✿★◈，会执行内核启动✿★◈、内存拷贝✿★◈、计算等操作尊龙凯时✿★◈，✿★◈。这个过程中✿★◈，涉及到 CPU 与 GPU 之间的通信✿★◈、驱动程序的处理以及 GPU 任务的调度等环节✿★◈，会产生一定的延迟✿★◈。模型推理需要执行大量重复的 GPU 操作✿★◈，每个的 GPU 操作都要重复执行上诉环节✿★◈，这些非核心的 GPU 开销会成倍数地放大✿★◈，影响最终响应时间✿★◈。

　　在传统后台服务✿★◈，我们使用 Redis 的 Lua 脚本封装多个 Redis 操作和计算逻辑✿★◈，一次提交✿★◈，减少网络开销✿★◈。与之相似✿★◈，AI Infra 利用 CUDA Graph 技术将多个 GPU 操作转化为一个有向无环图（DAG）✿★◈，然后一次性提交整个 DAG 提交到 GPU 执行圣衣神话交易所✿★◈，由GPU自身来管理这些操作的依赖关系和执行顺序✿★◈，从而减少 CPU 与 GPU 之间的交互开销✿★◈。

　　LLM 大模型推理存在大量矩阵乘法运算✿★◈，且高度依赖上下文信息✿★◈。每次推理都需要将之前生成过的词重新输入模型进行计算✿★◈。这种计算方式使得复杂度达到了 O（N²）✿★◈，其中必然存在大量的重复计算✿★◈。

　　有时候模型推理延时实在避免不了✿★◈，可以从工程交互上想办法✿★◈。传统后台服务的 RPC 通信是一问一答方式✿★◈，这种方式不太适合语音合成或者文本对话的场景✿★◈。因为大模型推理需要几秒-几十秒✿★◈，如果等待模型推理结束才展示结果✿★◈，用户会等待较长的时间✿★◈，体验很差✿★◈。

　　流式响应就是当模型推理计算得到第一个token或者第一个音频帧的时候✿★◈，立马展示或者播放给用户✿★◈，同时后续的模型推理结果在已经建立的 TCP 流上继续顺序传输尊龙凯时新版APP首页✿★◈。工程上从关注模型推理的整体耗时✿★◈，改为关注首token或首个音频帧的耗时✿★◈。几乎所有的 LLM 推理框架都支持了流式响应✿★◈。

　　提高吞吐量是程序员在传统 Infra 领域孜孜不倦的追求✿★◈，因为更高的吞吐量意味着更低的机器成本✿★◈。实现 AI 应用的高吞吐本质上就是提高昂贵的 GPU 的利用率✿★◈，让 GPU 单位时间能完成更多的任务✿★◈。

　　尽管模型推理需要执行万亿次浮点运算✿★◈，但 GPU 有大量的计算单元（CUDA Cores）✿★◈，单个请求的模型推理很难令 GPU 利用率达到饱和✿★◈。提高 GPU 利用率有2个方法✿★◈：传统批处理和连续批处理✿★◈。这里的“传统批处理”是相对于“连续批处理”这样的新型批处理方式而言的✿★◈。

　　其实传统后台服务也大量使用了批处理✿★◈，例如 Redis 的 MGet 命令✿★◈，单次请求就完成所有 key 的获取✿★◈，将 N 次网络往返（RTT）压缩为1次✿★◈。与之相似✿★◈，模型推理的批处理就是将多个输入样本打包（batch）✿★◈，将原本串行的 N 次轻量的推理计算尊龙凯时新版APP首页✿★◈，合并为 1 次重量的计算✿★◈，实现单位时间内处理更多的请求✿★◈，提高了 GPU 利用率✿★◈。

　　传统批处理类似 “固定班次的公交车”✿★◈：乘客（请求）必须等待发车时间（组建一个batch）✿★◈，发车后所有乘客同步前进✿★◈。即使有乘客提前下车（短请求完成）✿★◈，车辆仍需等待所有乘客到达终点（长请求完成）才能返程接新乘客✿★◈。传统批处理存在着资源浪费✿★◈：GPU 要等待长请求处理完✿★◈，不能处理新的请求而空闲✿★◈。

　　这个问题在 LLM 应用领域显得特别突出✿★◈，因为不同用户请求 Prompt✿★◈，模型的回答结果长度差异巨大尊龙凯时新版APP首页✿★◈，如果使用传统批处理✿★◈，GPU 空闲率很高✿★◈。这个本质上是个任务调度问题✿★◈，传统后台服务我们使用工作窃取算法（work stealing）解决线程空闲问题✿★◈，与之相似✿★◈，AI Infra 提出“连续批处理”解决这个问题✿★◈。

　　连续批处理类似“随时随地拼车的顺风车”✿★◈，每辆车（GPU）在行程中可随时上/下客✿★◈。新乘客（请求）直接加入当前车辆的空位（空闲计算单元）✿★◈，已完成的乘客立即下车（释放资源）✿★◈。几乎所有的 LLM推理框架都支持了连续批处理能力✿★◈，例如 vLLM 的 Continuous Batching✿★◈。

　　AI Infra 面对的工程挑战✿★◈，例如计算✿★◈、存储尊龙凯时中国官网入口✿★◈，✿★◈、通信✿★◈，大部分是新时代的老问题✿★◈，我们在传统 Infra 领域都能找到对应的场景和解决思路✿★◈。差异只在于战场从 CPU 转移到 GPU✿★◈，传统后台工程师积累的方法论✿★◈，依然可以无缝衔接到 AI Infra✿★◈。