技术盛宴 | 浅谈LLM推理性能的影响因子——HBD Size

随着LLM（大语言模型）技术的飞速发展，市面上出现越来越多的AGI应用，对话式机器人作为最普遍的应用已经深入普罗大众的工作和学习中。最显著的改变就是从搜索引擎查询问题，转变为打开多款对话式机器人的APP进行查询，然后再综合多个解答进行自己的判断。

那么，“对话式机器人”这类应用是如何根据用户的输入，来进行有逻辑的高质量内容输出的呢？其本质是：先通过大量的“训练”任务使其具备能够理解用户语言、逻辑和思维的能力，再通过用户给出的输入进行“推理”运算，进而输出对应的内容与用户进行高质量互动。 

一、训练与推理的关系

LLM（大型语言模型）的训练和推理是模型生命周期中的两个关键阶段，我们可以类比成理论学习和应用实践的结合。

1.训练阶段（学习阶段）：

该阶段是模型构建的基础，决定了模型的质量和应用效果。

1）在训练阶段，LLM通过大量的文本数据学习语言的模式、语法、语义和上下文信息。

2）使用深度学习技术，如神经网络，模型在训练过程中不断优化其参数，以提高对文本数据的建模能力。

2.推理阶段（应用阶段）：

该阶段不涉及参数更新，将训练学到的知识应用到实际问题上。

1）推理阶段是指使用训练好的模型对新的输入数据进行处理，以生成输出或做出决策的过程。

2）在推理过程中，模型会接收新的文本输入，预测或生成文本，执行翻译，或者完成其他特定的NLP任务。

3.差异性：

1）目标：训练和推理都旨在实现模型的最佳性能，但训练侧重于学习，推理侧重于应用。

2）可用性：训练阶段的效果会直接影响推理阶段结果的可用性。

3）资源消耗：训练通常需要大量的计算资源和数据，而推理则更注重实时性、成本和可扩展性。

4）持续学习：推理阶段的反馈可以用于改进模型，通过持续学习或增量学习的方式，使模型适应新的数据和场景。
 

二、推理的过程

主流 LLM 基本都是 Decoder Only 的 Transformer 模型，推理过程可以分为两个阶段：

Transformer 模型结构图

1.“预填充（Prefill）”阶段：

Prefill阶段是模型根据用户输入的Tokens通过一次前向传播来生成第一个输出 Token。在前向传播过程中，输入的Tokens之间以并行方式执行运算，所以具备比较高的执行效率。

2.“解码（Decoding）”阶段：

在Prefill阶段生成第一个 Token（A）之后开始进入Decoding阶段。在Decoding阶段中，解码器会以自回归的方式逐个生成输出序列的词元。在每一步，它基于已生成的词元和之前的状态来预测下一个词元，直到生成一个特殊的 Stop Token（或者满足用户设置的某个限制条件，比如超过一定的长度） 生成过程就会停止。Decoding阶段需要执行多次前向传播，而且只能以串行的方式执行，因此效率相对比较低。

两个阶段对算力芯片的要求也不同，Prefill阶段为计算密集型，适合选用高算力 GPU；Decoding阶段为访存密集型，相应的可以使用算力不是特别强而访存带宽比较大的 GPU。

三、推理的评估指标

针对 LLM 推理服务通常有两种调用模式，如下表所述：

类似ChatGPT 一样的 Streaming 方式，目前应用比较广泛，主要因为可以给用户带来更好的交互体验，不需要长时间等待即可获得系统反馈，因此本文以Streaming模式下的评估指标来进行分析。

1.首个词元生成时间（Time To First Token，简称TTFT）：

在用户输入查询的内容后，模型生成第一个输出token所需要的时间。

2.单个输出词元的生成时间（Time Per Output Token，简称TPOT）：

推理系统根据用户请求生成后续词元所需要的平均时间。在人机实时交互的过程中，让用户得到快速的响应至关重要，延时较高会让客户陷入较长的等待时间，大大影响交互体验，但只要生成速度大于人类的阅读速度就能获得很好的用户体验。

3.Decoding吞吐：

通常用来衡量推理服务器在decoding阶段的输出效率，即decoding阶段的所有Token数量除以该阶段所需要的耗时。

4.单卡吞吐：

通常用来衡量推理服务器完成本次推理任务的输出效率，即在Prefill阶段以及decoding阶段总共生成的Token数量除以整个推理任务所需要的耗时。

四、推理性能的影响因素

影响LLM推理性能的因子有许多，本文重点分析不同HBD Size域在不同集群规模以及不同计算精度下对推理性能的影响。

1.计算精度：

指浮点数（Floating Point Numbers）的不同精度，比如FP16、FP8、FP4。

2.实例规模：

完成本次推理任务所需要的GPU卡数量。

3.HBD （High Bandwidth Domain）Size：

一个推理实例内，通过独立的高速通道形成全联接的GPU卡的数量。（跨服务器通过交换柜互联也算同一个HBD）

我们基于理论建模的和仿真算法，通过控制变量的对比方式，在保证单一因子变化的前提下去分析计算精度、集群规模以及HBD Size对推理性能的影响。

测试模型采用B200算力卡进行模拟仿真，基于QWen 110B的基础上扩展16个MoE专家，Batch Size为16，Token输入序列为32K，同时假设HBD内通过1.8TB/s的双向带宽互联。

如上图数据所示，发现以下现象：

64张B200的GPU卡规模下，组成该推理实例时。在上述模型推理中，HBD Size从8提升至64，TTFT最大下降46%，单卡吞吐最大提升41%。

因此可以得出结论：HBD Size对推理性能有正面作用，即高速互联的GPU卡数量越多，推理性能越强。

如上图数据所示，发现以下现象：

128张B200卡的GPU规模组成推理实例时，在上述模型推理中，HBD Size从8提升至128，TTFT最大下降57%，单卡吞吐最大提升59%；同样证明HBD Size的提升对推理性能有正面作用。

对比上述两份数据，发现以下现象：

从64卡扩展到128卡规模时，TTFT指标从下降46%变化为下降57%，收益更明显；再如单卡吞吐从提升41%变化为提升59%，收益更明显。

因此可以得出结论：当采用更大规模GPU卡时，HBD Size扩增时性能收益提升趋于明显。

从上述表格数据中，我们发现以下现象：

同为128卡规模下，FP16精度下随着HBD Size提升，Prefill与Decoding阶段的通信时间占比逐步下降，这种现象在FP8和FP4精度下也同样存在。

当采用更低计算精度时，FP16精度下从8卡提升到128卡，单卡吞吐提升倍率为1.36；而在FP4精度下从8卡提升到128卡，单卡的吞吐提升倍率为1.63。

因此可以得出结论：在更低的计算精度下，HBD Size扩增时性能收益提升趋于明显。

五、结论

1、在相同集群规模和同样的计算精度下，随着HBD Size的提升，推理性能也随之提升。具体表现为TTFT降低，Decoding吞吐及单卡吞吐提升。

2、在相同计算精度下，集群规模越大，HBD Size的提升收益愈发明显。具体表现为TTFT降低幅度更大，Decoding吞吐及单卡吞吐提升幅度更大。

3、在相同集群规模下，计算精度越低，HBD Size的提升收益愈发明显。具体表现为Prefill与Decoding阶段的通信时间占比逐步下降幅度越慢，单卡吞吐提升倍率幅度越大。

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