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| 本文作者： 鄭佳美 | 2025-12-22 10:56 |
隨著大語言模型逐漸走向真實應用，推理階段的性能問題正在成為制約落地的關鍵因素。
模型規(guī)模不斷增大、上下文持續(xù)拉長，再加上 RAG、MoE 等新用法的引入，使得延遲、吞吐和能耗不再只是“調一調參數(shù)”的問題，而是直接影響系統(tǒng)架構和算力成本的核心挑戰(zhàn)。
圍繞這些問題，來自中國科學院計算所的嚴明玉團隊，聯(lián)合中國電信云計算研究院、浙江實驗室和北京大學的研究者，在論文《A Systematic Characterization of LLM Inference on GPUs》中，對大語言模型在 GPU 上的推理行為進行了系統(tǒng)研究。
不同于以往側重單一模型、單一算子或局部優(yōu)化的研究路徑，嚴明玉團隊從系統(tǒng)和硬件協(xié)同的視角出發(fā)，通過大規(guī)模實驗，對大語言模型在 GPU 上的推理行為進行了全面刻畫，試圖從根本上回答一個長期困擾工程實踐的問題：大模型推理為什么會呈現(xiàn)出現(xiàn)在這樣的性能特征。
這項工作并沒有直接給出如何優(yōu)化的現(xiàn)成答案，而是首先建立了一套統(tǒng)一、可解釋的性能認知框架，將 Prefill 與 Decode 的差異上升為系統(tǒng)級的基本規(guī)律，并在不同模型規(guī)模、不同硬件平臺以及 MoE、RAG 等新型推理范式下進行了驗證。
在這一框架下，推理延遲、資源利用率和能耗不再是孤立的指標，而是隨著工作負載和系統(tǒng)配置發(fā)生有規(guī)律的變化。這種從現(xiàn)象出發(fā)、最終回到系統(tǒng)根因的研究方式，使得這項工作更像是在為大模型推理建立一張可理解、可推演的性能全景圖，而不是提供某個場景下的經驗結論。
論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2512.01644v1
嚴明玉團隊的這項工作通過大量有組織的實驗，系統(tǒng)地總結了大語言模型在推理階段的性能規(guī)律，而不是停留在零散的經驗觀察上。研究團隊發(fā)現(xiàn)，LLM 的推理過程在本質上可以分成兩個完全不同的階段，而且這種差異并不是靠優(yōu)化就能消除的。
具體來說，第一個階段是 Prefill 階段，主要任務是一次性處理用戶輸入的 prompt。這個階段可以并行執(zhí)行，核心計算是大規(guī)模矩陣乘法，因此計算量大、算得很滿，GPU 的計算單元利用率很高，整體性能主要受限于算力本身。
第二個階段是 Decode 階段，用來逐個生成輸出 token。由于生成過程是一步一步進行的，每一步都需要訪問已經緩存的上下文信息（KV Cache），實際計算量不大，但內存訪問非常頻繁，因此性能瓶頸從算力轉移到了內存帶寬和訪問延遲上。
在此基礎上，論文進一步指出，推理過程中到底是 Prefill 慢還是 Decode 慢，并不是固定的，而是取決于具體的輸入和輸出情況。當輸入較短時，雖然每一步 Decode 的計算不多，但需要執(zhí)行很多步，因此 Decode 往往成為主要耗時部分。
而當輸入變長時，Prefill 階段需要處理的 token 數(shù)迅速增加，其計算量增長更快，在超過某個長度之后就會反過來成為整體延遲的主要來源。這種從 Decode 主導到 Prefill 主導的轉變說明，性能瓶頸更多是由工作負載決定的，而不是模型本身天生慢在哪。
如果進一步拆到模型內部的算子層面，研究團隊發(fā)現(xiàn)瓶頸同樣不是固定的。在常見的上下文長度下，Prefill 階段的主要時間往往花在前饋網絡（FFN）上，但在上下文特別長的情況下，由于注意力計算的復雜度增長更快，Attention 會逐漸成為主要瓶頸。
Decode 階段的情況則和模型規(guī)模有關：對于較小的模型，頻繁訪問 KV Cache 的 Attention 更容易成為瓶頸；而對于大模型，由于前饋網絡權重更大，F(xiàn)FN 的內存加載成本反而更突出。這說明，單純地說 Attention 是瓶頸或 FFN 是瓶頸都是不準確的，必須結合所處階段、上下文長度和模型規(guī)模來判斷。雷峰網(公眾號：雷峰網)
在性能可預測性方面，論文發(fā)現(xiàn) Prefill 階段的行為非常規(guī)律。它的執(zhí)行時間幾乎只由真正需要計算的輸入 token 數(shù)量決定，而且二者之間呈現(xiàn)非常穩(wěn)定的線性關系。這意味著，只要知道輸入長度和緩存命中情況，就可以比較準確地預測 Prefill 的延遲，這對系統(tǒng)調度和資源規(guī)劃非常有用。相比之下，Decode 階段由于是逐步生成，并且受到采樣和串行依賴的影響，性能波動更大，也更難提前預測。
在能耗分析中，論文給出了一個非常直觀但重要的結論：整個推理過程消耗的能量，幾乎全部來自 Decode 階段。輸入有多長，對總能耗影響很小，而輸出生成了多少 token，幾乎直接決定了能耗大小。同時，模型參數(shù)越多，總能耗也會隨之增加。這說明，在真實系統(tǒng)中，如果想要降低推理能耗，限制輸出長度往往比優(yōu)化 Prefill 更有效。
在多 GPU 擴展實驗中，研究團隊發(fā)現(xiàn)并行化并不是在所有情況下都有效。Prefill 階段由于計算量大，把計算分攤到多張 GPU 上通常能帶來收益，但 Decode 階段每一步計算都很小，多 GPU 之間的通信和同步反而會成為負擔，導致性能提升不明顯甚至變慢。因此，在 Decode 為主的場景下，使用單 GPU 或較輕量的流水并行往往更合適，這也打破了GPU 越多越快的直覺。
最后，論文還分析了新的推理范式。對于 MoE 模型，推理速度主要取決于每次實際參與計算的參數(shù)規(guī)模，而不是模型的總參數(shù)量，這帶來了明顯的性能優(yōu)勢，但同時，在 Decode 階段會額外引入專家選擇和調度的開銷，使性能表現(xiàn)更加復雜。
對于 RAG 工作流，研究團隊發(fā)現(xiàn)隨著外部知識規(guī)模變大，系統(tǒng)瓶頸會從 GPU 推理轉移到 CPU 側的檢索和內存訪問上，形成新的性能限制。盡管推理流程變得更加復雜，但 Prefill 和 Decode 在性能上的根本差異依然存在，仍然是理解整體行為的關鍵。
面向系統(tǒng)理解的大模型推理實驗框架
為了讓結論更完整、也更容易理解，這篇論文在實驗設計上采用了一種由淺入深的分析思路。研究團隊并不是一開始就研究底層硬件細節(jié)，而是先觀察整體推理性能表現(xiàn)，再逐步深入到 GPU 的執(zhí)行和存儲行為，最后把得到的規(guī)律放回到真實系統(tǒng)和新型推理場景中進行驗證。雷峰網
在實驗平臺方面，論文同時使用了數(shù)據(jù)中心級的 GPU（A100）和邊緣設備上的 GPU（Jetson AGX Orin）。這樣做的目的，是檢驗前面總結出的性能規(guī)律是否只在高端服務器上成立，還是在算力和內存條件更受限的設備上同樣適用。
模型選擇上，研究團隊覆蓋了多種主流的 dense 模型（從 7B 到 32B），同時還引入了一個具有代表性的 MoE 模型，以觀察不同參數(shù)規(guī)模和不同架構設計對推理性能的影響。為了保證對比公平，所有實驗都在同一套推理框架和相同精度設置下進行，盡量減少實現(xiàn)細節(jié)帶來的干擾。
在工作負載設計上，研究團隊并沒有簡單地跑幾組固定 benchmark，而是有針對性地設計了多種輸入和輸出組合。例如，有的任務輸入短、輸出長，有的輸入長、輸出短，還有真實對話數(shù)據(jù)和可控的合成數(shù)據(jù)。這樣的設計是為了有意識地制造 Prefill 占主導或 Decode 占主導的不同場景，從而驗證兩階段在不同條件下是否始終表現(xiàn)出不同的性能特征。
在性能分析方法上，論文采用了分層剖析的方式。首先在整體層面上，測量端到端的延遲、吞吐量和能耗，建立對系統(tǒng)行為的直觀認識；接著在階段和算子層面，分析 Prefill 和 Decode 各自占用了多少時間，以及不同算子在其中的作用；最后深入到硬件層面，通過 Roofline 模型、warp 停頓分析，以及緩存命中率和內存帶寬使用情況，來判斷性能究竟是受限于計算還是受限于內存。
在能耗分析中，研究人員通過高頻功率采樣并扣除空閑功耗的方式，盡量保證測量結果的準確性。在涉及 RAG 的實驗中，還額外使用了 CPU 側的性能分析工具，專門分析檢索階段的瓶頸來源。
通過這種從“看現(xiàn)象”到“找原因”的逐步分析過程，論文避免了只憑經驗判斷或簡單相關性分析下結論的問題，使得每一個宏觀層面的性能現(xiàn)象，都能在底層硬件執(zhí)行機制上找到清晰的解釋。
當問題被看清，優(yōu)化才有方向
這篇論文的意義不在于提出某一種新的優(yōu)化技巧，而在于建立了一套統(tǒng)一、可解釋的大模型推理性能認知框架。它首次將 Prefill 與 Decode 的階段差異提升為系統(tǒng)級基本規(guī)律，并證明這一規(guī)律在不同模型規(guī)模、硬件平臺和新興推理范式下均成立。
從工程角度看，論文糾正了多個長期存在的直覺性誤解，例如Attention 永遠是瓶頸、多 GPU 一定更快、Prefill 是主要能耗來源等，并給出了明確的反例和機制解釋。這些結論對實際推理服務的部署策略、資源配置和成本控制具有直接指導意義。
從系統(tǒng)研究角度看，這篇內容為后續(xù)工作提供了清晰的問題分解方式：優(yōu)化 Prefill 和優(yōu)化 Decode 不應混為一談，而應針對各自的根本瓶頸分別設計機制。這一思想對調度器設計、并行策略選擇以及新硬件特性利用都具有啟發(fā)作用。
從未來發(fā)展看，論文指出了 MoE 和 RAG 等新范式如何重塑瓶頸位置，提示研究者在模型和系統(tǒng)協(xié)同設計時需要關注路由開銷、內存局部性和 CPU–GPU 協(xié)同，而不僅僅是算力規(guī)模。
總體而言，這是一篇以實驗為基礎、以解釋為核心、以系統(tǒng)認知為目標的論文，其價值在于回答了“為什么 LLM 推理會這樣表現(xiàn)”，而不僅是“如何讓它更快一點”。
本文通訊作者為 中國科學院計算技術研究所的嚴明玉教授。他主要從事計算機體系結構相關研究，研究方向涵蓋圖機器學習、設計空間探索以及復雜計算系統(tǒng)的性能分析等問題。
參考鏈接：https://mingyuyan-ict.github.io/MingyuYan-ICT/
在學術研究方面，嚴明玉教授已在多個國際頂級會議和期刊上發(fā)表近 20 篇論文，相關成果發(fā)表于 MICRO、HPCA、DAC、ICCAD、IJCAI、IEEE TC、IEEE TPDS 等重要學術平臺，覆蓋體系結構、系統(tǒng)與應用交叉等多個研究領域。
除科研工作外，嚴明玉教授也是 IEEE 和中國計算機學會（CCF）的高級會員，并多次擔任 HPCA、ISCA、MICRO、IJCAI、ISPASS 等國際會議的技術程序委員會委員或審稿人，長期參與相關領域的學術評審與社區(qū)建設。
在學術培養(yǎng)與科研經歷方面，他于中國科學院大學獲得博士學位，并曾赴美國加州大學圣塔芭芭拉分校進行聯(lián)合培養(yǎng)。其博士論文曾獲得中國計算機學會優(yōu)秀博士論文獎。此外，他還入選北京市科技新星計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會，并主持或參與中國科學院青年團隊項目等科研計劃。
總體而言，嚴明玉教授長期致力于從系統(tǒng)視角理解復雜計算負載在硬件平臺上的執(zhí)行行為，強調通過系統(tǒng)性實驗和硬件行為分析揭示性能瓶頸的形成機理，其研究成果兼具理論深度與工程實踐價值。
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