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【导语】7月27日，上海举办了世界人工智能大会的一个分论坛，聚焦“芯节点·新突破——协同创新聚力 加速智算破局”主题。中国工程院院士、清华大学计算机系教授郑纬民在会上发表了重要演讲，深入剖析了人工智能产业竞争的关键——大模型推理引擎。他指出，要提升模型推理能力，必须掌握算子优化、模型量化、异构调度和并行优化四大关键点。这些关键技术的突破，将为人工智能的未来发展注入强劲动力。

7月27日，世界人工智能大会分论坛“芯节点·新突破——协同创新聚力 加速智算破局”主题论坛在上海举行。中国工程院院士、清华大学计算机系教授郑纬民会上发表演讲。他表示，大模型推理引擎是人工智能产业竞争的关键，做好模型推理需要掌握好算子优化、模型量化、异构调度、并行优化四大关键点。

关键点一：算子优化

算子优化就是对大模型中的单个算子（如Conv卷积、MatMu矩阵乘法等）做性能改造，使同一个算子在给定硬件上跑得更快、占用内存更少、功耗更低。例如，将“卷积”这个算子从普通C语言替换为汇编级Winograd+SIMD+缓存分块，就是一次算子优化。

算子优化主要有两种实现方案：其一，图层优化，包括不等价交换，用可控误差换性能；基于表达式交换，用代数/符号规则在图层级别做(zuò)等(děng)价(jià)化(huà)简(jiǎn)；张(zhāng)量属性变换，通过调整张量的形状、步长等消除冗余内存搬移或者提高并行度等。其二，算子(zi)层(céng)优(yōu)化(huà)，即采用计算访存重叠、异步流水调度等技术进行算子优化。

关键点二：模型量化

模型量化就是将模型中的浮点参数（如32位FP32）转换为低比特整数（如8位INT8）的技术，目的是缩减模型体量、降低计算量、提升推理速度，同时尽量保持模型精度。在模型规模急剧增加、低精度计算单元越来越多样的背景下，模型量化是减少内存需求和提升推(tuī)理(lǐ)性(xìng)能的有效途径。

当前模型量化主要有两种方案：

其一，单一精度量化，直接将模型中的高位宽参数替换为低比特，例如将16位浮点数直接替换为8位整数，这一方式以“极简部署”换“精度弹性”，在硬件支持单一格式或对精度不敏感时是首选。

其二，混合精度量化，在同一网络里按层、张量或通道分别使用两种及以上位宽（如INT8+FP16、INT4+INT8、FP8+FP16+FP32等(děng)），而(ér)不(bù)是(shì)“一(yī)刀(dāo)切(qiè)”成(chéng)单(dān)一(yī)低(dī)比(bǐ)特(tè)。

但(dàn)混(hùn)合(hé)精(jīng)度(dù)推(tuī)理(lǐ)的(de)发(fā)展(zhǎn)也(yě)面(miàn)临(lín)着(zhe)挑(tiāo)战(zhàn)，混(hùn)合(hé)精(jīng)度(dù)库(kù)开(kāi)发(fā)周(zhōu)期(qī)长(zhǎng)，历(lì)时(shí)超(chāo)过(guò)一(yī)年(nián)；代(dài)码(mǎ)量(liàng)大(dà)，超过1万行；算子性能差，相较于单一精度推理，性能下降70%。导致现有的混合精度推理利用率仍较低。

关键点三：异构调度

异构调度指在包含多种不同类型计算单元（CPU、GPU、FPGA、AI加速器等）系统中，将任务或子任务动态、合理地分配到最(zuì)合(hé)适(shì)的(de)处(chù)理(lǐ)器(qì)上(shàng)，同(tóng)时(shí)满(mǎn)足(zú)性(xìng)能(néng)、功(gōng)耗(hào)、资(zī)源(yuán)利(lì)用(yòng)率(lǜ)或(huò)实(shí)时(shí)性(xìng)等(děng)多(duō)重(zhòng)目(mù)标(biāo)的(de)一(yī)种(zhǒng)资(zī)源(yuán)管(guǎn)理(lǐ)技(jì)术(shù)。该(gāi)技(jì)术(shù)的(de)目(mù)标(biāo)是(shì)让(ràng)正(zhèng)确(què)的(de)任(rèn)务(wu)在正确的时间跑到正确的芯片上，例如将“跑得快但耗电高”的GPU留给矩阵乘法，把“省电但慢”的CPU小核留给控制逻辑。

模型推理可大致分为两个过程：一是P过程（prefill，预填充），二是D过程（decode，解码）。前者预处理负载请求的所有token，读取并“理解”用户输入的上下文，这一过程是计算密集型的；D过程则是和访存密集相关。

P过程与D过程所需的负载不同，如果能将P过程和D过程拆成两个独立的流水线，分别在不同的硬件上跑，且能实现互不干扰，推理计算的整体性能就提高了。

关键点四：并行优化

并行优化即把深度学习任务拆成多条独立或半独立的计算通路，让他们在同一个时刻被多个计算单元并行执行，从而在“时间”或“空间”维度上换取整体吞吐或延迟提升的一系列工程手段。简单理解，这就相当于“把1个人干100天的活，拆成100个人1天干完”。

当前，并行优化面临着两大挑战：

其一，由于推理场景多样化，且不同推理场景的负载模式不同，固定的并行策略无法适应动态推理场景。例如，科研论文摘要、财报分析等，输入内容长，则Prefill占优，属于计算密集型任务；深度思考，输出文本长，则Decode占优，属于访存密集型。针对这些不同的应用场景，需要制定不同的并行策略。

其二，由于大模型服务场景存在明显的潮汐特性，不同时段的系统压力不同，静态的推理系统也无法适应动态服务场景。具体来看，白天时段使用人数多，请求量大，系统压力大，存在显存缺口；凌晨时段使用人数少，请求数量小，系统压力小，存在显存空闲。

因此需要采用动态的并行策略(è)，通(tōng)过(guò)并(bìng)行(xíng)策(cè)略(è)自(zì)动(dòng)调(diào)整(zhěng)减(jiǎn)少(shǎo)算(suàn)力(lì)浪(làng)费(fèi)。例(lì)如(rú)，在(zài)请(qǐng)求(qiú)较(jiào)多(duō)时(shí)，采用(yòng)张(zhāng)量(liàng)并(bìng)行(xíng)+流(liú)水(shuǐ)线(xiàn)并(bìng)行(xíng)的(de)策(cè)略(è)，吞(tūn)吐(tǔ)量(liàng)更(gèng)大(dà)；在(zài)请(qǐng)求(qiú)较(jiào)少(shǎo)时(shí)，Attention（注意力机制模型）部分采用数据并行，MoE（混合专家模型）部分采用专家并行策略的吞吐量更高。