聊聊大模型推理系統(tǒng)之Hetis：如何讓“高低配”GPU集群跑出2.25倍吞吐？

作者：機(jī)智流科技 2025-09-26 07:49:10

Hetis 的出現(xiàn)，為異構(gòu)算力環(huán)境下的大模型部署提供了全新的技術(shù)范式。它標(biāo)志著 LLM 服務(wù)正從粗放式的資源堆砌，邁向精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的智能調(diào)度時(shí)代。這一思路與國(guó)家倡導(dǎo)的綠色計(jì)算和算力普惠政策高度契合，有助于盤(pán)活存量算力資產(chǎn)，降低 AI 應(yīng)用門(mén)檻。

在大模型時(shí)代，算力需求如潮水般上漲。然而，現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)集群往往并非清一色的頂級(jí)顯卡，而是由A100、3090甚至老舊的P100等不同性能和內(nèi)存配置的 GPU 混搭而成——這種異構(gòu) GPU 集群雖能降低成本，卻給大語(yǔ)言模型（LLM）服務(wù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)：高配 GPU 空轉(zhuǎn)等待，低配 GPU 內(nèi)存耗盡，整體效率大打折扣。

面對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，最新研究提出了一套顛覆性解決方案。來(lái)自澳門(mén)大學(xué)與中山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在 SC '25 上發(fā)表論文，推出了名為 Hetis 的新型 LLM 服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅將服務(wù)吞吐量最高提升了2.25 倍，還將推理延遲降低了1.49 倍，其背后究竟有何創(chuàng)新玄機(jī)？

核心看點(diǎn)

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Hetis 的核心突破在于徹底改變了傳統(tǒng) LLM 服務(wù)中“一刀切”的并行策略。它首次提出了細(xì)粒度動(dòng)態(tài)并行機(jī)制，精準(zhǔn)匹配異構(gòu)硬件資源與模型模塊特性。具體而言，Hetis 通過(guò)主工作節(jié)點(diǎn)并行化（Primary Worker Parallelism）優(yōu)化計(jì)算密集型模塊（如 MLP），僅在高性能 GPU 間進(jìn)行協(xié)作；同時(shí)引入動(dòng)態(tài)頭級(jí)注意力并行化（Dynamic Head-wise Attention Parallelism），將輕量級(jí)的Attention計(jì)算靈活分發(fā)至所有 GPU，包括低性能設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了在線調(diào)度算法，實(shí)時(shí)平衡網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算與內(nèi)存負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)了資源利用率的全局最優(yōu)化。

研究背景

當(dāng)前主流的 LLM 服務(wù)系統(tǒng)在異構(gòu)環(huán)境下面臨兩大核心瓶頸：內(nèi)存效率低下與計(jì)算資源錯(cuò)配。以 Splitwise 為代表的階段拆分方案，將預(yù)填充（Prefill）與解碼（Decode）任務(wù)分別交給高/低性能 GPU 執(zhí)行，雖緩解了計(jì)算壓力，卻導(dǎo)致 KV 緩存空間嚴(yán)重不足。而 Hexgen 等采用非對(duì)稱參數(shù)劃分的系統(tǒng)，則因計(jì)算能力與內(nèi)存容量的不匹配，造成高端 GPU 內(nèi)存大量閑置。

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更深層的問(wèn)題在于，現(xiàn)有方法普遍采用靜態(tài)并行策略，無(wú)法適應(yīng)請(qǐng)求長(zhǎng)度、批次大小等動(dòng)態(tài)變化。例如，MLP 模塊在 A100 與 P100 上的運(yùn)算速度差距可達(dá) 24.5 倍，若強(qiáng)行統(tǒng)一并行，低效設(shè)備將成為拖累整體性能的“短板”。與此同時(shí)，Attention 模塊因其無(wú)參數(shù)特性和較低的計(jì)算強(qiáng)度，在各類(lèi) GPU 上表現(xiàn)相對(duì)均衡，具備更高的并行靈活性。Hetis 正是抓住了這一關(guān)鍵差異，開(kāi)啟了精細(xì)化調(diào)度的新思路。

核心貢獻(xiàn)

方法創(chuàng)新：模塊級(jí)差異化并行架構(gòu)

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Hetis 的核心是“按需分配”的并行哲學(xué)。對(duì)于計(jì)算密集的 MLP 和預(yù)填充階段的 Attention，系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)層次化搜索過(guò)程，自動(dòng)篩選出最優(yōu)的主工作節(jié)點(diǎn)組合，并在此子集內(nèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)、流水線與張量并行（DP/PP/TP），力求最小化通信開(kāi)銷(xiāo)與計(jì)算延遲。那些未被選中的低端 GPU 則被劃為注意力工作節(jié)點(diǎn)（Attention Workers），專司 Attention 計(jì)算任務(wù)。

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針對(duì) Attention 模塊，Hetis 創(chuàng)新性地采用頭維度（head-wise）進(jìn)行分割。相比按請(qǐng)求或序列長(zhǎng)度拆分，頭級(jí)并行能顯著減少跨設(shè)備通信量。實(shí)驗(yàn)表明，在僅卸載 20%負(fù)載時(shí)，頭級(jí)分割的通信開(kāi)銷(xiāo)比序列級(jí)分割降低近2.68 倍；當(dāng)使用 4 個(gè)注意力工作節(jié)點(diǎn)時(shí)，延遲優(yōu)勢(shì)可達(dá)3.55 倍。

實(shí)證成果：吞吐與延遲雙重突破

在包含 A100、3090 和 P100 的真實(shí)異構(gòu)集群上，Hetis 展現(xiàn)了卓越性能。測(cè)試涵蓋Llama-13B、OPT-30B和Llama-70B等多種模型及真實(shí)工作負(fù)載（聊天、代碼生成、長(zhǎng)文本摘要）。結(jié)果顯示：

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吞吐量最高提升至基線系統(tǒng)的2.25 倍（對(duì)比 Splitwise）和1.33 倍（對(duì)比 Hexgen）；
推理延遲方面，P95 的TTFT（首令牌時(shí)間）和TPOT（每令牌處理時(shí)間）分別改善最多1.47 倍和1.39 倍；
KV 緩存空間利用率提升顯著，最大可用緩存空間比基線多出1.87 倍，有效支持更多并發(fā)請(qǐng)求。

這些數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了 Hetis 在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下的魯棒性與高效性。

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在方法創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。Hetis 內(nèi)置的在線調(diào)度器（Dispatcher）基于對(duì)計(jì)算與通信成本的顯式建模，實(shí)時(shí)決策每個(gè)請(qǐng)求的注意力頭分配方案。當(dāng)遇到超長(zhǎng)上下文導(dǎo)致負(fù)載不均時(shí)，系統(tǒng)還能觸發(fā)重調(diào)度機(jī)制（Re-dispatching），動(dòng)態(tài)遷移部分計(jì)算任務(wù)，避免單點(diǎn)瓶頸。

此外，為支撐頭級(jí)并行，Hetis 實(shí)現(xiàn)了頭粒度 KV 緩存管理，開(kāi)發(fā)了新的 CUDA 內(nèi)核以高效索引與傳輸緩存塊。盡管存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)開(kāi)銷(xiāo)增加13% ，但得益于 CPU 多核加速，緩存獲取時(shí)間反而減少了26% ，實(shí)現(xiàn)了總體性能凈增益。

行業(yè)意義

未來(lái)，Hetis 所驗(yàn)證的模塊感知并行（Module-aware Parallelism）理念有望推動(dòng)整個(gè)分布式推理技術(shù)路線的演進(jìn)。無(wú)論是邊緣計(jì)算中的混合芯片，還是云平臺(tái)上的搶占式實(shí)例，此類(lèi)動(dòng)態(tài)適配機(jī)制都將成為提升資源利用效率的關(guān)鍵。可以預(yù)見(jiàn)，隨著大模型應(yīng)用場(chǎng)景的不斷下沉，像 Hetis 這樣的智能調(diào)度系統(tǒng)，將在構(gòu)建高效、可持續(xù)的 AI 基礎(chǔ)設(shè)施中扮演變革性角色。