VPP: Virtual Pipeline Parallelism for Efficient Chunked Prefill in Long-Context LLM Inference

TL;DR

VPP通过虚拟阶段优化长上下文LLM推理,提升13.1%吞吐量。

cs.DC 🔴 高级 2026-08-27 53 次浏览
Yan Shi Xiaochao Wang Jingchun Gao Jintao Luo Xinyi Zhou Feng Liu Kui Luo Xushi Li Xinjie Guo Liangjun Feng
虚拟流水线 长上下文 LLM推理 吞吐量优化 异步通信

核心发现

方法论

本文提出了虚拟流水线并行(VPP)技术,通过固定块大小和虚拟阶段优化流水线布局。VPP采用V形虚拟阶段遍历,将每个块的中间阶段与相邻块的头尾阶段重叠,并通过异步通信和流水线打包减少通信延迟和跨请求排空气泡。VPP在vLLM-Ascend中实现,并在三个基于MoE的LLM上进行评估。

关键结果

  • VPP在长序列上比DCPP提高了13.1%的吞吐量,在混合工作负载上提高了6.7%。
  • 在512K-token的DeepSeek-V3.1预填充工作负载中,VPP将流水线气泡比例从6.4%降至0.1%。
  • VPP在短序列上保持了性能,与DCPP相比减少了98.0%的气泡。

研究意义

VPP在长上下文LLM推理中显著提高了吞吐量,减少了流水线气泡,优化了资源利用率。它解决了传统动态块调整方法在长序列中引入的调度开销问题,为大规模LLM推理提供了更高效的解决方案。

技术贡献

VPP通过引入虚拟阶段和异步通信,显著减少了流水线气泡,并保持了固定块大小。这种方法与现有的动态块调整方法相比,减少了调度复杂性,并提高了长序列推理的效率。

新颖性

VPP首次通过虚拟阶段和异步通信优化长上下文LLM推理的流水线布局,避免了动态块调整带来的调度开销。

局限性

  • VPP在非线性块延迟增长的情况下可能不适用。
  • 需要对不同模型和硬件进行适配。

未来方向

未来工作可以探索VPP在不同硬件平台上的适应性,以及在其他类型的模型架构中的应用。

AI 总览摘要

长上下文LLM推理面临着显著的性能挑战,尤其是在处理长序列时。现有的动态块调整方法虽然能平衡负载,但在长序列中引入了显著的调度开销。为了解决这一问题,本文提出了虚拟流水线并行(VPP)技术,通过固定块大小和虚拟阶段优化流水线布局。VPP采用V形虚拟阶段遍历,将每个块的中间阶段与相邻块的头尾阶段重叠,并通过异步通信和流水线打包减少通信延迟和跨请求排空气泡。在实验中,VPP在长序列上比DCPP提高了13.1%的吞吐量,在混合工作负载上提高了6.7%。此外,VPP在512K-token的DeepSeek-V3.1预填充工作负载中,将流水线气泡比例从6.4%降至0.1%。这一技术的引入为大规模LLM推理提供了更高效的解决方案,显著提高了资源利用率。尽管VPP在非线性块延迟增长的情况下可能不适用,但其在长上下文推理中的优势显著,为未来的研究和应用提供了新的方向。

深度分析

研究背景

随着大语言模型(LLM)应用的快速发展,尤其是在多轮对话、工具调用和知识检索等领域,LLM推理工作负载正朝着越来越长和可变的上下文发展。处理从几十到数百万个token的序列带来了显著的挑战,包括首行阻塞、加速器利用率低下和内存压力增加。

核心问题

在长上下文LLM推理中,块预填充流水线并行(CPP)是一项关键技术。然而,等大小块会导致不平衡的延迟,因为后续块需要访问更长的前缀KV缓存,从而导致更高的注意力成本和流水线气泡。

核心创新

本文提出的虚拟流水线并行(VPP)技术,通过保持块大小固定并通过虚拟阶段优化流水线布局,解决了传统动态块调整方法在长序列中引入的调度开销问题。VPP采用V形虚拟阶段遍历,将每个块的中间阶段与相邻块的头尾阶段重叠。

方法详解

  • �� VPP通过固定块大小和虚拟阶段优化流水线布局。
  • �� 采用V形虚拟阶段遍历,将每个块的中间阶段与相邻块的头尾阶段重叠。
  • �� 通过异步通信和流水线打包减少通信延迟和跨请求排空气泡。
  • �� 在vLLM-Ascend中实现,并在三个基于MoE的LLM上进行评估。

实验设计

实验在vLLM-Ascend上进行,使用三个基于MoE的LLM:Qwen3、DeepSeek-V3.1和GLM-5.2。评估涵盖短(4K-16K)、长(64K-1M)和混合长度工作负载,并包括详细的性能细分、消融研究和块大小敏感性分析。

结果分析

VPP在长序列上比DCPP提高了13.1%的吞吐量,在混合工作负载上提高了6.7%。在512K-token的DeepSeek-V3.1预填充工作负载中,VPP将流水线气泡比例从6.4%降至0.1%。

应用场景

VPP技术可直接应用于需要高效长上下文推理的场景,如大规模对话系统和复杂推理任务。其高效的资源利用率和吞吐量提升将对相关行业产生积极影响。

局限与展望

VPP在非线性块延迟增长的情况下可能不适用。此外,VPP需要对不同模型和硬件进行适配,以确保其性能优势。未来的研究可以探索VPP在不同硬件平台上的适应性,以及在其他类型的模型架构中的应用。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个工厂流水线,每个工人负责不同的任务。传统方法让每个工人处理相同大小的任务,但有些任务需要更多时间,导致工人闲置。VPP就像调整工人任务顺序,让需要更多时间的任务与简单任务交错进行,减少等待时间。通过这种方式,工厂整体效率提高,减少了资源浪费。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个需要排队的游戏。每个人都要等前面的人完成才能继续。VPP就像是聪明地安排每个人的顺序,让需要更多时间的人和快速完成的人交替进行,这样大家都能更快地玩到游戏!这不仅让游戏更有趣,还能让你更快地看到结果!

术语表

虚拟流水线并行 (Virtual Pipeline Parallelism)

一种通过固定块大小和虚拟阶段优化流水线布局的技术。

用于优化长上下文LLM推理的流水线布局。

块预填充 (Chunked Prefill)

将长提示分割为较小的调度单元,以便与解码和其他请求交错进行。

用于减少首行阻塞和提高利用率。

流水线气泡 (Pipeline Bubble)

由于执行进度不均匀导致的流水线阶段闲置。

在等大小块的CPP中常见。

异步通信 (Asynchronous Communication)

一种通信方式,允许计算与数据传输同时进行,减少延迟。

用于减少VPP中的通信延迟。

动态块调整 (Dynamic Chunk Resizing)

通过动态调整块边界来平衡执行时间的策略。

用于减少CPP中的执行不平衡。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在非线性块延迟增长的情况下优化VPP?
  • 2 VPP在不同硬件平台上的适应性如何?

应用场景

近期应用

大规模对话系统

VPP可用于提高大规模对话系统的推理效率,减少响应时间。

远期愿景

复杂推理任务

VPP在复杂推理任务中可显著提高资源利用率,推动AI应用的进一步发展。

原文摘要

Chunked prefill pipeline parallelism (CPP) is a key technique for LLM inference. However, equal-size chunks exhibit imbalanced latency, as later chunks attend longer prefix KV caches and incur higher attention costs, leading to pipeline bubbles. Existing approaches mitigate this imbalance through dynamic chunk resizing (Dynamic CPP, DCPP), but our measurements show that this trades scheduling overhead for load balancing, which becomes unfavorable on long sequences. In this study, we propose Virtual Pipeline Parallelism (VPP), which keeps chunk sizes fixed and optimizes the pipeline layout through virtual stages. A V-shaped virtual-stage traversal overlaps each chunk's expensive middle stages with the lighter head and tail stages of its neighbors, while asynchronous communication and pipelined packing further reduce communication stalls and cross-request drain bubbles. We implement VPP in vLLM-Ascend and evaluate it on three MoE-based LLMs with sequences up to 1M tokens on 16 Ascend 910C NPUs. VPP improves throughput by up to 13.1% over DCPP on long sequences and 6.7% on mixed workloads, while preserving performance on short sequences. On a 512K-token DeepSeek-V3.1 prefill workload, VPP reduces the pipeline bubble ratio from 6.4% to 0.1%, achieving a 98.0% reduction compared with DCPP.

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