玩转大语言模型：基于 vLLM 框架的大模型推理优化实现参数 / 数据（P/D）分离

大模型在推理部署时，往往存在显存瓶颈：

模型参数（Parameters, P）动辄上百 GB，需要长期驻留显存。
输入/输出数据（Data, D）则随请求动态变化，但往往和参数耦合在同一设备上，导致显存占用不均衡，扩展性受限。

为了解决这一问题，可以借助 vLLM 框架实现参数 / 数据（P/D）分离，提升推理系统的灵活性和吞吐。

大模型推理的资源瓶颈

以一个 70B 规模的 Transformer 模型为例：

参数权重（FP16 存储）约需 140GB 显存；
每次请求输入的序列数据、KV Cache 会消耗额外显存，并随 batch size 增长而急剧膨胀。

如果不加区分地将 P 与 D 放在同一块 GPU：

参数长期驻留，挤压了用于动态数据的显存；
多实例并发时，数据显存不足，限制了吞吐。

因此，在分布式推理系统中，业界逐渐采用 参数与数据分离（P/D Separation） 的架构思路。

vLLM 简介

vLLM 是一个高性能的大模型推理引擎，核心优势包括：

PagedAttention：高效管理 KV Cache，支持大批量并发；
高吞吐率：相较于 Hugging Face Transformers 推理，吞吐提升数倍；
灵活的分布式支持：可结合 DeepSpeed、Megatron 等方案，支持参数/数据分布式存储与调度。

vLLM 的模块化架构，使其天然适合实现 P/D 分离。

P/D 分离的实现思路

在 vLLM 中，推理流程大致分为两个部分：

参数侧（P）
- 模型权重加载与存放；
- 可通过 ZeRO-3 / Tensor Parallel 等策略将参数分布在多 GPU 节点上；
- 参数在整个推理生命周期中保持常驻，不随请求波动。
数据侧（D）
- 动态输入序列、KV Cache、采样状态等；
- 可使用 PagedAttention 管理显存分页；
- 支持把部分 KV Cache 放到 CPU/Host 内存，再动态迁移到 GPU。

核心机制

其核心机制是显存资源隔离：

权重（P） 固定驻留在专门的 GPU（参数节点）；
数据（D） 可以按需分配到其他 GPU（数据节点），甚至利用 CPU 内存 / NVMe。

这样：

参数显存不与动态数据抢占空间；
数据可以根据请求动态扩展，提升并发能力。

在 vLLM 中的实现路径

实现 P/D 分离的常见方法：

参数分片（Parameter Sharding）
- 借助 vLLM 对 Megatron-LM / DeepSpeed 的支持，将模型参数按张量维度切分到多 GPU；
- 仅在推理计算时聚合，不需要在每个设备上完整存放参数。
KV Cache 分离（Data Sharding）
- 通过 vLLM 的 PagedAttention，可以把 KV Cache 存在独立的 GPU 或 Host 内存；
- 在推理过程中按需调页，类似操作系统的虚拟内存机制。
Pipeline 并行化
- 将模型计算划分为不同阶段，前几层专门占用参数节点，后几层在数据节点完成；
- 在流水线中，数据逐层传递，而参数保持分片驻留。

基于 vLLM 的 P/D 分离实战

下面给出两部分内容：

配置示例：如何在多 GPU 环境下指定参数和数据分布；
代码示例：如何加载模型并运行推理，展示参数常驻、数据动态分配。

配置示例

假设我们有 4 张 GPU：

GPU 0,1：专门存放模型参数（P）；
GPU 2,3：主要承载 KV Cache 等动态数据（D）。

我们可以在启动 vLLM 时设置：

CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3 \
python -m vllm.entrypoints.api_server \
    --model /path/to/llama-2-70b \
    --tensor-parallel-size 2 \
    --gpu-memory-utilization 0.85 \
    --enable-chunked-prefill \
    --enforce-eager \
    --kv-cache-dtype fp16 \
    --max-num-batched-tokens 4096

这里的关键点：

--tensor-parallel-size 2：只在 GPU 0,1 上做参数分片存放；
--gpu-memory-utilization：控制参数占用的比例，留出余量给数据；
--kv-cache-dtype fp16：降低 KV Cache 精度，减少数据显存占用；
vLLM 内部的 PagedAttention 会自动把 KV Cache 分配到 GPU 2,3，如果溢出则回退到 CPU 内存。

代码示例

下面是一个 Python 调用示例：

from vllm import LLM, SamplingParams

# -------- 参数（P）分离 --------
# tensor_parallel_size=2 表示参数分布在前两张 GPU（0,1）
llm = LLM(
    model="/path/to/llama-2-70b",
    tensor_parallel_size=2,
    gpu_memory_utilization=0.85,
    enforce_eager=True,       # 避免显存碎片
    enable_chunked_prefill=True,
    kv_cache_dtype="fp16"     # 数据（D）使用更轻量的缓存精度
)

# -------- 数据（D）分离 --------
# PagedAttention 会自动管理 KV Cache 的存放位置（GPU2, 3, 甚至 CPU 内存）
sampling_params = SamplingParams(
    temperature=0.8,
    top_p=0.95,
    max_tokens=256
)

prompt = "解释一下通过 vLLM 实现 P/D 分离的好处。"

# 运行推理
outputs = llm.generate([prompt], sampling_params)

print("模型输出：")
for output in outputs:
    print(output.outputs[0].text)

验证方式

运行时可以用 nvidia-smi 观察：

GPU 0,1 显存几乎恒定，主要承载参数；
GPU 2,3 的显存随请求数量/序列长度波动，主要承载 KV Cache；
如果输入过大，KV Cache 会溢出到 CPU 内存，但仍可继续推理。

实际效果与收益

通过 P/D 分离，可以得到以下好处：

提升 GPU 利用率：参数和数据分工明确，避免显存冲突；
支持更大 batch size：数据显存可扩展，吞吐率提升显著；
降低成本：参数可驻留在高端 GPU，而数据可放到中低端 GPU 或 CPU 内存，形成分层存储；
灵活性：适配多种硬件资源组合（A100 + H100, GPU + CPU, GPU + NVMe）。

在实践中，结合 vLLM 的 PagedAttention，P/D 分离的效果尤为明显，可让大模型推理在同样硬件下实现 数倍并发提升。

总结

vLLM 框架凭借其高效的 KV Cache 管理和分布式能力，为 大模型推理的 P/D 分离 提供了坚实基础。通过将 参数（P） 和 数据（D） 解耦，可以更好地利用硬件资源，提升推理性能与扩展性。

未来，随着 混合精度存储、分层缓存（GPU+CPU+NVMe） 的发展，P/D 分离架构将逐渐成为大模型推理的主流范式。

大模型推理的资源瓶颈#

vLLM 简介#

P/D 分离的实现思路#

核心机制#

在 vLLM 中的实现路径#

基于 vLLM 的 P/D 分离实战#

配置示例#

代码示例#

验证方式#

实际效果与收益#

总结#