大模型推理全链路拆解

从 token 调度到采样输出追踪每一步张量维度的变化搞懂 LLM 推理到底在算什么01为什么需要 Continuous Batching批处理能提升 GPU 利用率——复用权重来均摊显存访问开销。但生成式任务的输出序列长度不可预测且差异巨大传统齐步走的批处理玩不转。在 vLLM 调度器的视角里没有 Prefill 和 Decode 的区分。它只盯着两个数字num_computed_tokens已经算过的和num_tokens当前应该有的。每一步的目标就是让前者追上后者。差多少就调度多少直到 token 预算用完。调度受四个硬约束限制→最大并发请求数max_num_seqs→Token budget — 单步所有请求的 token 总量上限控制 GPU 计算量→模型最大序列长度max_model_len→是否还有空闲的 KV Cache blocks调度的核心洞察把调度粒度从 request 级下沉到 token 级请求完成后槽位立刻释放新请求无缝补入。这就是 continuous batching。不是什么高深的发明是问题逼出来的自然选择。02Paged Attention显存的虚拟内存KV Cache 不能一次性申请所有显存——你不知道生成会多长。Paged Attention 借鉴操作系统的虚拟内存思想按 block 分配、按需增长。vLLM 启动时预分配 KV Cacheshape 为[num_layers, 2, num_blocks, block_size, num_kv_heads, head_dim]。block_table 没有num_layers维度——同一个 token 在所有层的 KV 值都存在同一个物理块位置。推理过程中slot_mapping告诉 kernel 把新产生的 KV 写到哪个 slotblock_table告诉 kernel 去哪些物理 block 读取已有的 KV Cache。一套映射管读写。与操作系统的类比虚拟地址 → 逻辑块号页表 → block_table物理页帧 → 物理块 ID。操作系统的虚拟内存解决内存不够用的问题Paged Attention 解决 KV Cache 显存碎片化的问题。同一个思路。03从文本到向量Embedding用户输入的 prompt 先经过 BPE 分词变成数字 ID再通过查表变成向量。Embedding 本质是索引取值不是矩阵乘法。BPE 的训练方式很直觉从字符级开始反复把出现频率最高的相邻 token 对合并成新 token直到词表达到目标大小。Llama 3 的词表有 128256 个 token。vLLM 把 batch 中所有请求的有效 token 拼成一维长向量彻底消除 padding。所以 Embedding 的输入不是[batch_size, seq_len]而是[num_sched_tokens]——所有 token 打平后直接查表。04Attention推理最复杂的环节Attention 的数学不复杂但工程实现极其精巧。FlashAttention 用 kernel 融合和分块计算绕开内存墙而 Prefill 和 Decode 的计算特征差异巨大。整个 Attention 流程在理论层面只有六步GQA 共享 → Q-K 点积 → Scale → Mask → Softmax → 乘 V。但每一步的工程实现都有讲究。GQA 让 1 个 KV Head 对应 4 个 Q Head物理上不复制数据通过索引映射kv_head_idx q_head_idx / (num_heads / num_kv_heads)实现。Llama 3-8B 有 32 个 Q Head 和 8 个 KV HeadKV Cache 体积压缩到原来的 1/4。FlashAttention 把从 Q-K 点积到乘 V 的 5 步融合成一个 CUDA kernel中间矩阵 S 和 P 不写回 HBM。O(N²) 的中间结果留在 SRAM只把最终输出写回显存。这是绕开内存墙的办法。Flattened 到请求维度的切换进入 Attention kernel 之前需要从全局 Flattened 视角[num_sched_tokens, ...]切换到请求维度。Attention 计算本质上是请求内部的操作——不同请求的 KV Cache 不能交叉。vLLM 通过cu_seqlens累积序列长度数组实现变长序列的请求级隔离无需真正 reshape 为规整张量。Prefill 与 Decode 的本质差异阶段query_lensseq_lens计算特征瓶颈Prefillnum_prompt_tokensnum_prompt_tokens稠密矩阵乘法 GEMM计算量Decode1历史 token 总数矩阵向量乘法 GEMV显存带宽Decode 阶段每次只处理 1 个 token计算量很小但需要把整个 KV Cache 从 HBM 搬到 SRAM。随着序列变长搬运的数据量持续增长——这就是为什么 Decode 阶段是访存密集型。Prefill 则相反计算量大但比例合理属于计算密集型。残差连接的物理意义不要推翻重来在原有基础上学修正值。ResNet 让网络堆到 100 层以上还不梯度消失后来的 BERT24 层和 GPT96 层才敢设计得那么深。Scaling Law 要能跑起来底层得有残差连接撑着。05FFN参数和计算量的大头Llama 3-8B 的 MLP 层参数占比约 70%FLOPs 占比也约 70%。三个线性层 SwiGLU 激活是模型计算最重的部分。FFN 的计算逻辑很直白Gate 和 Up 两条并行线性变换Gate 经过 SiLU 激活后和 Up 逐元素相乘最后 Down Proj 投影回原维度。这就是 SwiGLU。vLLM 的工程优化点把W_gate和W_up按列拼接两次中等规模的矩阵乘法变成一次宽矩阵 GEMM。Activation 用silu_and_mulkernel 在 SRAM 上直接输出点乘结果不写回 HBM。Residual Add 和下一步的 RMSNorm 也融合成一个 CUDA kernel。每一步都在省一次显存读写。06Sampling从 logits 到下一个 tokenTransformer Block 的输出经过 LM Head 映射到整个词表空间得到 128256 维的 logits。然后经过一系列后处理和采样最终选出一个 token。LM Head 只需要每个请求序列最后一个 token 的特征来预测下一个词所以进入 LM Head 前会做一次 Gather 操作Speculative Decoding 等场景除外。权重矩阵[4096, 128256]极其庞大vLLM 通常用张量并行按列切分来加速。采样流程有几个实用的设计点。Greedy 先行——在 temperature 缩放之前先做 argmax避免精度损失。整个 batch 都是 greedy 的话后续步骤全部跳过。min_p是唯一的 argmax-invariant 处理器阈值自适应模型确定时砍得多不确定时砍得少但 argmax 结果永远不变。Top-K 和 Top-P 做硬截断最后 Gumbel-Max 保证随机性。结构化输出的工程实现白名单过滤配合 grammar bitmask每一步动态计算当前合法的 token 集合。比如情感分类只允许输出 “positive” “negative” “neutral” 对应的 token多选题只允许 A B C D。这比在 prompt 里要求输出格式靠谱得多。07推理之外这些基础如何延伸理解了推理流程中每一步的张量维度变化很多高级概念就变得自然。MoE、张量并行、长上下文优化本质上都是在不同维度上拆分同样的计算。理解了推理中每一步张量维度的变化很多高级概念就没什么神秘的了。张量并行就是在不同轴上切分Fused QKV 和 Fused Gate/Up 按列切分O_Proj 和 Down_Proj 按行切分后 AllReduce。MoE 就是在 FFN 层加路由每次只激活部分参数。长上下文的 chunked prefill、Flash-Decoding、Sequence Parallelism 是在不同维度拆分 prompt解决的问题不同但都用 Log-Sum-Exp 做重新归一化。推理的原理说到底就那些。工程优化的核心思路也一致减少显存读写提升计算强度按需分配资源。搞清楚每一步 shape 怎么变剩下的就是工程取舍。学AI大模型的正确顺序千万不要搞错了2026年AI风口已来各行各业的AI渗透肉眼可见超多公司要么转型做AI相关产品要么高薪挖AI技术人才机遇直接摆在眼前有往AI方向发展或者本身有后端编程基础的朋友直接冲AI大模型应用开发转岗超合适就算暂时不打算转岗了解大模型、RAG、Prompt、Agent这些热门概念能上手做简单项目也绝对是求职加分王给大家整理了超全最新的AI大模型应用开发学习清单和资料手把手帮你快速入门学习路线:✅大模型基础认知—大模型核心原理、发展历程、主流模型GPT、文心一言等特点解析✅核心技术模块—RAG检索增强生成、Prompt工程实战、Agent智能体开发逻辑✅开发基础能力—Python进阶、API接口调用、大模型开发框架LangChain等实操✅应用场景开发—智能问答系统、企业知识库、AIGC内容生成工具、行业定制化大模型应用✅项目落地流程—需求拆解、技术选型、模型调优、测试上线、运维迭代✅面试求职冲刺—岗位JD解析、简历AI项目包装、高频面试题汇总、模拟面经以上6大模块看似清晰好上手实则每个部分都有扎实的核心内容需要吃透我把大模型的学习全流程已经整理好了抓住AI时代风口轻松解锁职业新可能希望大家都能把握机遇实现薪资/职业跃迁这份完整版的大模型 AI 学习资料已经上传CSDN朋友们如果需要可以微信扫描下方CSDN官方认证二维码免费领取【保证100%免费】