大模型推理PD分离技术：核心原理、技术优势、挑战与未来展望

本文来自“《大模型推理PD分离技术全面：原理、优势、挑战与未来展望》”，随着大语言模型(LLM)在各行业的广泛应用，如何高效地进行模型推理成为关键挑战。PD分离(Prefill-Decode Disaggregation)技术作为近年来大模型推理领域的重要突破，通过将预填充(Prefill)和解码(Decode)两个阶段分离部署，显著提升了推理效率和资源利用率。

本文将全面分析PD分离技术的核心原理、系统实现、性能优势、现存挑战以及未来发展方向，帮助读者深入理解这一变革性技术及其对AI基础设施的影响。

1、PD分离技术概述与核心原理

PD分离技术是大语言模型推理领域的一项重大创新，它从根本上改变了传统LLM推理流水线的架构设计。这项技术的出现源于对大模型推理过程中两个关键阶段——Prefill(预填充)和Decode(解码)——本质差异的深入认识，以及如何针对这些差异进行优化以提高整体系统效率的思考。

在传统LLM推理系统中，Prefill和Decode阶段通常在同一计算设备上顺序执行。Prefill阶段负责处理所有输入token，生成初始的KV缓存(Key-Value Cache)和第一个输出token；而Decode阶段则基于这些KV缓存，通过自回归方式逐步生成后续token。

这种传统架构虽然简单直接，但存在明显的性能瓶颈：Prefill阶段是计算密集型操作，需要大量并行计算能力；而Decode阶段则是内存密集型操作，更依赖高带宽内存访问。当这两个阶段共享同一计算资源时，它们的资源需求特性会相互干扰，导致整体效率低下。

PD分离技术的核心思想是将Prefill和Decode这两个阶段解耦，并将它们分配到不同类型的计算设备上执行。

具体来说，Prefill阶段被分配到专门的高算力GPU上执行，以充分利用其并行计算能力；而Decode阶段则被分配到具有大显存和高内存带宽的GPU上执行，以满足其内存访问需求。两个阶段之间通过高速网络(如NVLink或RDMA)传输中间状态(主要是KV缓存)。

这种分离架构带来了几个关键优势：首先，它消除了Prefill和Decode阶段之间的资源竞争，使每个阶段都能在其最优配置下运行；其次，它允许两个阶段并行处理不同请求，提高了系统吞吐量；最后，它使得资源分配更加灵活，可以根据工作负载特征动态调整Prefill和Decode资源的比例。

从技术实现角度看，PD分离系统需要解决几个关键问题：如何高效地在Prefill和Decode节点间传输KV缓存；如何设计调度策略以确保请求在不同阶段间的平滑流转；以及如何为每个阶段选择最优的并行策略(如张量并行、流水线并行等)。现代PD分离系统如DistServe和Mooncake通过创新性的KV缓存传输机制和调度算法，已经能够将这些开销控制在可接受范围内，实现了显著的性能提升。

2、PD分离的技术背景与动机

大语言模型推理过程的内在特性是PD分离技术发展的根本驱动力。理解这些特性对于把握PD分离技术的必要性和价值至关重要。LLM推理通常分为两个截然不同但紧密相连的阶段：Prefill(预填充)阶段和Decode(解码)阶段，每个阶段在计算模式、资源需求和性能指标上都有显著差异。

Prefill阶段是LLM推理的初始阶段，负责处理用户输入的整个提示(Prompt)。这一阶段需要一次性处理所有输入token，计算它们的Key和Value向量并存储在KV缓存中，同时生成第一个输出token。

从计算特性看，Prefill阶段是高度计算密集型的，因为它涉及对模型所有层的完整前向传播，计算复杂度与输入长度呈平方关系(O(n²))。这一阶段能够充分利用GPU的并行计算能力，因为所有输入token可以并行处理。Prefill阶段的性能通常用首token延迟(TTFT)来衡量，即从请求开始到生成第一个token所需的时间，这对用户体验至关重要。

Decode阶段则是在Prefill完成后进行的迭代过程，基于已生成的KV缓存逐步生成后续token。与Prefill不同，Decode阶段是内存密集型的，每次迭代只需要计算最新token的注意力，复杂度与序列长度呈线性关系(O(n))。

Decode阶段的特点是严格串行——每次只能生成一个token，且需要频繁访问和更新KV缓存，这使得内存带宽成为主要瓶颈。Decode阶段的性能通常用每token时间(TPOT)来衡量，即生成两个连续token之间的平均时间，这决定了输出的流畅度。

表：Prefill阶段与Decode阶段的特性对比

在传统共置架构中，Prefill和Decode阶段在同一设备上顺序执行，这导致了几个严重问题。

首先，当系统采用连续批处理(continuous batching)技术提高吞吐量时，Prefill和Decode请求会相互干扰——新到达的Prefill请求会抢占正在进行的Decode请求的资源，导致Decode延迟出现尖峰，用户感知为输出"卡顿"。

其次，两个阶段的最优并行策略不同：Prefill阶段适合使用张量并行(TP)来降低延迟，而Decode阶段则更适合流水线并行(PP)来提高吞吐量。共置架构无法同时满足这两种需求，导致资源利用率低下。

性能干扰问题在实际系统中表现得尤为明显。研究表明，在共置架构下，当Prefill和Decode请求混合处理时，Decode的P99延迟(99%请求的延迟)可能增加78%以上。这种干扰不仅影响用户体验，还迫使系统过度配置资源以满足服务水平目标(SLO)，显著增加了运营成本。正是这些挑战促使研究者探索将Prefill和Decode阶段物理分离的解决方案，最终发展出了PD分离技术。

此外，不同应用场景对延迟的需求差异也加剧了共置架构的问题。例如，聊天机器人需要极低的TTFT(如<200ms)但可以接受适中的TPOT；而代码补全则需要快速连续的token生成。PD分离允许针对不同应用定制Prefill和Decode资源配置，从而更好地满足多样化的SLO需求。

3、PD分离的性能优势

PD分离（Prefill-Decode Separation）是大模型推理中的一项关键技术，通过将推理过程划分为Prefill（预填充）和Decode（解码）两个独立阶段，并针对其不同计算特性进行优化，显著提升了推理效率和资源利用率。

(1) 显著提升推理吞吐量

Prefill阶段：并行处理所有输入Token，计算密集度高，GPU算力利用率接近饱和。

Decode阶段：逐个生成Token，内存带宽受限，算力利用率低。

PD分离：通过独立优化两阶段计算，避免Decode阶段的算力浪费，提升整体吞吐量。

(2) 降低延迟，优化用户体验

首次Token时间（TTFT）：Prefill阶段优化可减少首次响应时间。

Token生成时间（TPOT）：Decode阶段优化可提高Token生成速度，使交互更流畅。

(3) 提高硬件资源利用率

传统统一处理模式下，Decode阶段GPU算力浪费严重（利用率仅约1%）。

PD分离后，可针对Prefill（计算密集型）和Decode（内存密集型）分别优化，最大化GPU利用率。

(4) 支持动态调度与连续批处理

PD分离允许智能调度不同阶段的请求，如：

Prefill阶段：批量处理多个请求的输入Token。

Decode阶段：动态调整生成任务，避免资源争抢。

4、 实证结果

(1) 实验数据：Prefill vs. Decode速度差异

测试条件：5个并发请求，输入255 Token，生成256 Token。

结果：

Prefill阶段：0.2394秒（5325.18 tokens/s）。

Decode阶段：32.8948秒（38.76 tokens/s）。

速度差异：Decode阶段比Prefill慢约137倍，占整体推理时间的99%。

(2) 百度智能云的优化实践

网络架构：采用低时延HPN集群（4μs端到端延迟），优化Alltoall通信，减少跨机流量干扰。

KV Cache传输：通过RDMA实现高带宽传输，减少Prefill与Decode间的数据交换延迟。

调度优化：分队列管理Prefill/Decode流量，避免拥塞，提升整体吞吐量20%。

(3) PD分离的实际收益

延迟降低：首次Token生成时间（TTFT）显著缩短。

吞吐量提升：单位时间内可处理更多并发请求。

成本优化：减少GPU闲置，降低部署成本。

5、PD分离关键技术挑战与解决方案

（1）计算资源动态分配的挑战

挑战描述

Prefill阶段：计算密集型，需要高并行计算能力（如矩阵乘法），GPU算力利用率高。

Decode阶段：内存带宽受限，逐个Token生成，算力利用率低（仅约1%）。

资源争抢：若未分离，Prefill任务可能阻塞Decode任务，导致延迟增加。

解决方案

分队列调度：为Prefill和Decode分配独立的计算资源（如GPU计算单元与内存带宽），避免相互干扰。

动态批处理：

Prefill批处理：合并多个请求的输入Token，最大化并行计算效率。

Decode连续批处理：动态调整生成任务，避免因短请求阻塞长生成任务

（2）内存管理的挑战

挑战描述

KV Cache存储：Decode阶段需缓存大量中间状态（KV Cache），占用显存。

内存碎片化：动态请求导致显存分配不连续，降低利用率。

解决方案

分层存储优化：

高频访问的KV Cache保留在GPU显存，低频数据移至主机内存或NVMe SSD。

采用内存池（Memory Pool）技术，减少动态分配开销。

RDMA加速数据传输：在分布式推理中，使用RDMA（远程直接内存访问）减少Prefill与Decode间的数据交换延迟。

（3）低延迟与高吞吐的平衡挑战

挑战描述

TTFT（首次Token时间）：用户对首次响应敏感，需快速完成Prefill。

TPOT（后续Token时间）：生成阶段需稳定输出，避免卡顿。

解决方案

优先级调度：优先处理Prefill任务，确保低TTFT；Decode任务采用公平调度，保证TPOT稳定。

流水线并行：将Prefill与Decode任务重叠执行，减少端到端延迟。

（4）分布式推理的通信挑战

挑战描述

跨节点同步：在多GPU/多机部署中，Prefill与Decode可能分布在不同节点，通信开销大。

AlltoAll通信瓶颈：传统网络架构下，跨机数据传输成为性能瓶颈。

解决方案

HPN（高性能网络）优化：采用超低延迟（4μs）网络架构，减少跨机通信延迟。

KV Cache分区：按Token位置分布KV Cache，减少跨节点数据传输。

（5）实际部署的工程挑战

挑战描述

框架支持不足：现有深度学习框架（如PyTorch）未原生支持PD分离调度。

异构硬件适配：不同GPU架构（如NVIDIA A100 vs. H100）需定制优化。

解决方案

定制化推理引擎：如百度智能云的PD分离优化方案，结合RDMA和动态批处理提升吞吐量20%。

硬件感知优化：针对不同GPU架构调整计算内核（如Tensor Core vs. CUDA Core）。

6. 未来研究方向

更细粒度调度：结合强化学习动态调整Prefill/Decode资源比例。

混合精度计算：Prefill阶段使用FP16/INT8加速，Decode阶段保持FP32稳定性。

边缘端适配：针对移动端（如Apple M系列芯片）优化PD分离策略。

7、结论

PD分离通过差异化优化Prefill和Decode阶段，解决了传统推理模式下的算力浪费问题，显著提升了大模型推理的效率和用户体验。实验证明，Decode阶段占整体推理时间的99%，优化该阶段可带来最大的性能收益。未来，结合更先进的网络架构（如RDMA、低延迟交换）和调度策略（如动态批处理），PD分离将进一步推动大模型推理的高效部署。