大模型推理架构的演进：从GPU为中心向全系统异构协同转变

全系统异构协同不仅是应对GPU瓶颈的技术必然，更是实现高性能、低成本、广覆盖AI服务的战略路径。它标志着AI基础设施从“以加速器为中心”转向“以系统效能为中心”的深刻范式转移。

过去几年，GPU凭借其强大的并行计算能力，成为深度学习训练与推理的事实标准。然而，随着模型规模的指数级增长，GPU推理带来的延迟、吞吐、能效与成本之间的矛盾日益突出。试想一下，在某公司的数据中心内，数百张顶级GPU正全力运行大语言模型推理任务，但算力的利用率却不足35%。大量CPU资源处于闲置状态，内存带宽利用率不足20%。这不仅带来了大量的资源浪费，而且还使得推理效率无法满足金融、制造等等行业的需求。

在这一背景下，以GPU为核心的单一加速器架构逐渐显现出其局限性。业界开始将目光投向更广阔的系统层面，推动着大模型推理系统架构从GPU为中心向全系统异构协同的进化。

推理需求井喷带来的GPU中心架构瓶颈

我们知道，在Transformer架构普及后，GPU凭借着高带宽内存（HBM）和TensorCore，使其在处理大规模矩阵运算时具有显著优势。然而，ChatGPT、Gemini、Claude等主流模型每周需要处理数十亿次查询，其中，文本生成、代码补全、图像理解等任务对延迟和吞吐量的要求千差万别，在这种场景之下，GPU中心架构便暴露出多重瓶颈。

一是计算资源利用率低的问题。推理过程包含大量非计算密集型操作，如动态批处理调度、KV缓存管理、文本解码逻辑、I/O处理等，这些任务在GPU上执行效率低下，反而占用宝贵计算资源。

二是内存墙的问题。主流大模型参数量已经突破千亿甚至万亿级别，远超单卡甚至多卡GPU的显存容量，频繁的数据交换带来显著通信开销。

三是能效比问题。GPU在低负载或非满载状态下功耗仍较高，而推理请求往往具有突发性和稀疏性，导致整体能效不佳。

以目前主流的H100 GPU为例，其FP16算力高达1979 TFLOPS，但显存带宽仅为3.35TB/s，成为制约推理性能的关键瓶颈。因此，当模型参数量超过千亿级别时，频繁的权重加载和数据交换使GPU实际算力利用率常低于40%。

为此，业界普遍认为单纯堆砌GPU无法应对多样化的推理需求，全系统异构协同架构成为未来大模型推理最合适的选择。

全系统异构协同：让合适的硬件做合适的事

全系统异构协同架构的核心思想是将CPU、GPU、专用AI芯片、内存、存储和网络视为统一的推理综合，而非GPU主导的从属系统。简单来讲，就是让合适的硬件做合适的事，通过系统软件实现无缝协同。

在这套系统架构中，CPU处理器主要负责控制流与预/后处理。包括请求解析、动态批处理（Dynamic Batching）、输出格式化、安全校验等逻辑密集型任务。GPU等则专注于核心张量计算，NPU等专用加速器，让专注于加速处理特定的子任务，例如使用FPGA或ASIC加速KV缓存的压缩/解压、量化反量化、RoPE位置编码等固定模式操作。DPU等则负责卸载网络与存储，将模型加载、参数传输、请求路由等任务从主机CPU卸载至智能网卡，减少数据拷贝，提升I/O吞吐。

以谷歌TPU v5、亚马逊Inferentia2等芯片为例，这些专为特定模型结构优化，能在能效比上超越通用GPU 3-5倍，通过定制数据流架构，减少不必要的内存搬运，将大部分计算保持在芯片内部。

当然，在全系统异构架构中，特别强调内存即服务的理念，即利用CPU内存作为GPU显存的扩展池（如通过NVLink-C2C或CXL协议），实现统一虚拟地址空间；采用分层缓存策略：高频访问的KV缓存驻留于HBM，低频参数存储于DDR5或CXL连接的内存池；引入近内存计算技术，在DRAM或HBM堆栈中集成简单计算单元，减少数据搬运。

最后，异构协同离不开软件支持。为此，在编译器级，通过TVM、MLIR等编译框架能够将模型图自动拆分为适合不同硬件的子图，并生成针对性内核。在运行时调度器方面，可以通过vLLM、TensorRT-LLM等推理引擎引入设备感知调度，动态分配任务至最优硬件。在统一编程模型时，可以通过SYCL、oneAPI等抽象层屏蔽底层硬件差异，简化开发者负担。

成本效益大幅提升：异构协同将重塑企业的TCO

在大模型商业化落地过程中，总拥有成本（TCO）是决定成败的关键。与GPU为中心的推理相比，全系统异构协同在多个维度显著优化成本结构。

首先，硬件采购成本更低。传统GPU中心方案需配置大量高端GPU（如H100）以满足峰值需求，但实际平均利用率常低于30%。异构架构通过以下方式降低成本：

一是混合部署：在非关键路径使用性价比更高的NPU（如华为昇腾、寒武纪MLU）或自研AI芯片，GPU仅用于最核心计算；

二是资源共享：多个推理任务共享CPU、内存、网络资源，提升整体资源密度；

三是延长硬件生命周期：通过软件抽象，旧型号GPU或CPU仍可承担辅助任务，避免“一刀切”淘汰。

根据某头部云厂商测算，在同等QPS（每秒查询数）下，异构推理集群的硬件采购成本可降低40%以上。

其次，能耗与运维成本显著下降。大模型推理是能耗密集型业务。异构协同通过精细化功耗管理实现节能。例如，利用专用加速器（如ASIC）在执行特定任务时能效比GPU高5–10倍；再例如，CPU在空闲时可进入深度睡眠状态，而GPU则难以动态调频。最后，智能NIC减少主机CPU中断，降低系统整体功耗。

此外，异构架构支持更灵活的弹性伸缩。例如，在夜间低峰期关闭部分GPU，由CPU+NPU维持基础服务，进一步节省电费与冷却成本。

最后，开发与部署效率也会显著提升。虽然异构系统初期开发复杂度较高，但成熟的软件栈（如ONNXRuntime、OpenVINO）已提供跨平台部署能力。企业可基于同一模型，在边缘（NPU+CPU）、数据中心（GPU+FPGA）、云端（全异构）实现一致推理体验，大幅降低多端适配成本。

全系统异构的主要挑战：开发门槛仍旧较高

尽管全系统异构协同前景广阔，仍面临若干挑战：

一是工具链碎片化：不同厂商硬件缺乏统一编程接口，增加开发门槛；

二是调度复杂性：跨设备任务划分与数据同步需精细建模，否则可能引入新瓶颈；

三是生态成熟度：相比CUDA生态，异构软件栈仍在建设中。

不过，随着CXL 3.0、UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）等互连标准普及，以及AI编译器、自动调度器的智能化，异构协同将走向“透明化”——开发者只需关注模型逻辑，系统自动完成最优硬件映射。

此外，Chiplet（芯粒）技术将进一步模糊芯片边界，实现“计算-存储-互连”一体化的异构集成，为大模型推理提供前所未有的系统级优化空间。

写在最后：

目前，大模型推理正从“算力竞赛”迈入“系统工程”时代。全系统异构协同不仅是应对GPU瓶颈的技术必然，更是实现高性能、低成本、广覆盖AI服务的战略路径。它标志着AI基础设施从“以加速器为中心”转向“以系统效能为中心”的深刻范式转移。未来，谁能在异构协同的系统设计、软件生态与行业落地中率先突破，谁就将掌握大模型时代的真正话语权。