大模型Infra这些年，从黑铁时代到黄金时代再到白银时代
作者：方佳瑞，清华大学 计算机科学技术博士；腾讯 · 专家工程师。
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原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/708594043
越来越多人开始关注大模型，很多做工程开发的同学问我怎么入门大模型训练推理系统软件（俗称大模型Infra）。
作为一名曾经后台开发岗位同学，大家的心情我感同身受。近年来国内互联网业务整体低迷，而大模型却在逆势崛起，每天新闻可谓繁花似锦，烈火烹油，和其他子领域形成了鲜明对比。环球同此凉热，2023年硅谷裁了几十万软件工程师，但美国各大厂都在疯狂买GPU高价招人做大模型，这半年的美股靠这波AI的预期再创新高。冷热对比，高下立判，作为计算机从业者肯定都不想错失上车的机会。
但需要提醒大家的是大模型Infra正在从从黄金时代进入白银时代。我21年开始写大模型训练系统，算是周期完整的亲历者，谈谈我这些年观察到大模型Infra经历的几个阶段：
2019-2021：黑铁时代
17年那篇著名的《Attention is All you Need[1]》论文发表，以Transformers为基础零件的不同模型结构相继出现，Decoder-only的GPT-1（2018）、Encoder-only的Bert（2018），Encoder-Decoder的T5（2019）相继出现，开始在NLP领域大杀四方。互联网企业中的翻译、对话、推荐等应用场景相继被Transformers占领。
顺应潮流，有人开始研究Scale Transformers模型。把模型变大在CNN时代是反直觉的，彼时大家正在通过NAS和AutoML等手段千方百计把模型变小，放到汽车、摄像头、手机里。Scaling Law的信徒主要是OpenAI和Google。在18年有用LSTM预测下一token的语言模型ELMo[2]，OpenAI就用Transformers替换LSTM做了GPT-1，在Dota AI积累的哲学开始Scaling，随后就出了GPT-2和GPT-3。Google作为Transformers的策源地，17年就有提出了MoE[3]架构的Transformers，20年已经能搞出用2K TPU训练的600B的大模型GShard[4]，为此开发了基于TensorFlow的分布式训练框架MeshTensor[5]。但和OpenAI不同，Google没有押宝Decoder-only的结构，而是大力发展Encoder-Decoder结构（也是Transformers最早被提出的结构）。DeepMind作为一个隶属Google但相对独立的英国研究机构，此时也有和GPT类似的Decoder结构模型Gopher[6]和Chinchilla[7]。
尽管，20年175B参数GPT-3的few-shot learining能力给业界带来了一些震撼，但国内对大模型技术路线持怀疑态度居多，拥趸寥寥，大部分算法同学对大模型并不感冒。我观察原因来源于三方面。一方面，大多数人没有预训练的概念，当时NLP算法开发范式是搞私有数据+微调Bert，根据小模型时代的经验，应该专注在数据质量，而不是一个更大底座模型，哪怕先把模型变大两倍，也申请很多预算去训模型，ROI存疑。另一方面，Infra没有准备好。训练一个大模型可不是一般人可以玩得起的，现在训模型是算法+工程同学相互配合，那时候没有这种兵种搭配概念，业务团队里只有算法工程师，搞GPU对他们是头疼事情，尤其是上线一个需要两张GPU才能运行的模型，简直是灾难。而隶属于中台部门的Infra团队，又不了解大模型的风向，跨部门的信息是有壁的。
国内最有动力去Scale模型是做算法刷榜的团队，但大多刷榜的模型大多无法逃脱PR+束之高阁的命运，不过这个过程锻炼了很多队伍，他们也成为后来ChatGPT爆火之后参与国内大模型训练的主力。
彼之砒霜，我之蜜糖。模型变大反而对AI Infra人是新机会。那个时代AI Infra的主旋律应用还是推荐系统，NVIDIA在押宝元宇宙作为新增长点，大模型对Infra同学也是新鲜事物。有OpenAI和Google前面开路，美国有些机构开始了将模型变大的探索性工作，主要是沿着把Encoder结构的Bert变大，不过对于训练来说Encoder和Decoder的差别不大。也正是借着这波机会，大模型训练框架Megatron-LM和DeepSpeed开始有了原型。20年微软搞了17B大Bert的Turing-NLG，其训练代码成为了DeepSpeed的原型。19年，NVIDIA搞了8.3B的Megatron-LM，没错Megatron-LM是一个大Bert的名字，Megatron-LM仓库里也是放训练模型的代码脚本，这些脚本实现了张量并行，后面逐渐发展成了最流行的训练框架。前面两者都是在PyTorch之上的搭建的，而且都是开源的。
这一时期，美国大厂训模型主要目的是试试水和秀肌肉，因而DeepSpeed和Megatron-LM最开始就是开源的，这也是一件好事。试想如果大模型出场就是核武器，大家都像22年之后OpenAI那样藏着掖着，Infra技术扩散必然没这么快了。
用大规模GPU训模型，小模型时代的数据并行无法胜任了。一些训练优化的基本概念开始定型，比如ZeRO，张量并行，流水并行，Offloading，混合并行等。这些技术之前也都有前身，比如18年工作混合并行的FlexFlow[8]，18年自给NAS出来的AmoebaNet训练的GPipe[9]，ZeRO是一种Parameter Server[10]特殊形式，等等。只不过这些技术在Transformers架构和高带宽互联网络中可以更加针对性地优化使用。
那个时候国内对大模型这种新鲜事物了解有限。袁老师的Oneflow[11]是最早做大模型分布式训练的尝试的，SBP方式做自动化的模型并行理念还是比较超前的，不过可惜国内没有业务需求来支撑他们做PMF。华为的MindSpore也开始做自动并行的尝试。行动比较早团队的有阿里的M6[12]，智源的GLM[13]和华为的Pangu-alpha[14]。
除了少数大模型Believer，国内大厂对大模型不感冒，各大厂的云/中台团队刚刚完成一轮X minutes训练ImageNet的军备竞赛，还在思索用那么大规模的GPU去训练一个模型有什么商业价值。有一些NLP技术创业公司，技术路线还是是给不同的业务做定制的微调Bert。一些机构的投资人会打电话咨询技术人员，大模型是否是骗局。总体来说，22年之前，大模型对国内来说还是太超前，以至于共识非常薄弱，因此我称之为大模型Infra黑铁时代。
本人在黑铁时代的尾声21年初开始研究大模型训练系统的。在腾讯的WeChat AI，研究氛围比较宽松自由，而且很幸运我的+1和+2Leader都非常的技术远见，在没有落地前景的前提下支持我做这件事情。做大模型训练最大的障碍是计算资源，我当时能访问的GPU硬件主要是单机8卡V100，因此找的切入的方向是设计一个更好CPU-Offloading策略来让低端机器跑大模型，也就是PatrickStar[15]。当时公司内有几个团队尝试联合起来申请几百张卡训模型，因为ROI不明确没有批下来。
2022-2023：黄金年代
经历了黑铁年代储备期之后，以Meta开源OPT-175B模型为标志，22年开始大模型Infra开始迎来黄金年代。
一方面，伴随NVIDIA芯片的计划迭代，一台DGX SuperPOD（2021）已经可以很轻松搞定百亿参数的大模型训练了，NVIDIA为了推这种超级计算机，也把大模型列为一种杀手应用来宣传。除了大模型还真不知道什么应用能把它填满，21年11月腾讯弄了一台SuperPod样机，拉全公司各种Infra团队一起测试两个月，本来列了一个密集测试排期表，最后发现只有我们调PatrickStar的在用机器，后面我们直接独占了全机。
另一方面，有人开始看到大模型的威力了，硅谷春江水暖鸭先知。22年5月份，Meta把OPT-175B的权重开源出来，它是为复现GPT3训练的，用的是PyTorch FairScale，虽然模型效果不敢恭维，但是真的是造福了广大大模型科研人员，是AI Infra的人也终于有一个真实模型可以做实验了。22年6月，HuggingFace也组织三十多个国家机构多国部队，开源出来Bloom-176B模型，用的DeepSpeed框架。
硅谷创业公司中，Character.ai和Anthropic.ai这时已经成立一段时间了，22年伊始，在全国同心抗疫之计，国外已经好几路人马在训练GPT-3级别的模型中。印象比较深的是22年4月份，Transformers论文有两个作者离开Google成立了一个叫Adept.ai的大模型公司，用大模型帮人完成复杂任务，他们twitter的demo展示大模型能根据输入文字让Python画出一个柱状图表，我看到之后非常不可思议，那应该是我的ChatGPT时刻，现在再看类似东西已是见怪不怪了。
直到2022年11月，ChatGPT强势出圈，引爆了大模型。这一事件，显著加速了模型变大有价值共识的形成。大模型团队快速聚集了大量人力、物力、财力。大模型Infra也迎来了跨越式发展。
大模发展，训练先行。在训练系统领域，Megatron-LM和DeepSpeed在黄金年代快速迭代。不过说实话，前ChatGPT时代这两个软件质量堪忧，我感觉是处于无架构师状态，疯狂缝合各种research idea，系统bug很多，而且用户接口很不友好。但是，大模型训练框架，先发优势很重要。大家选型时不是考虑好不好用，而是看这个框架之前训出过什么模型。毕竟训练一次，小则几十万，大则几千万美金的投资，稳妥最重要。后ChatGPT时代，由NVIDIA品牌和技术背书的Megatron-LM的优势开始滚雪球般变大，到现在基本被其商业版本Nemo一统江湖。
在技术创新上，也是遍地是黄金。并行策略和算子优化等方面很多机会，比如Sequence Parallelism、Flash Attention之类simple but effective的作品都获得巨大影响力。预训练之后，对SFT，RLHF的需求，也训推混合调度和S-LoRA之类工作的需求。
大模型Infra也深刻影响了上层算法的发展轨迹。比如，很长时间大家不敢增大context length，因为Attention计算中间QK^T矩阵的内存是序列的平方项开销，导致有一段时间Linear Attention，Approximate Attention用精度换长度的研究之风盛行。Memory Efficient Attention工程优化出现之后，最著名的是Flash Attention，直接把内存平方项干没了，大家又回到了老老实实用标准Attention的正规。
在推理系统领域，大发展的出现比训练晚很多，主要发生在2023年之后。一方面，模型没训练出来，也就没有推理需求。另一方面，Decoder结构没有定于一尊之前，推理加速也没研究到正点上。之前大家都在关注怎么优化Encoder Transformers的推理。怎么做算子融合，怎么消除变长输入的Padding。在Bert时代，用的最多是FasterTransformers（FT）[16]，笔者19年的一个项目TurboTransformers[17]正是对标FT。开发FT的是NVIDIA中国团队，（made in China），我是亲眼见证了它从NVIDIA Example一个小角落，逐渐发展壮大，独立成一个单独产品线的。
Bert时代很多优化可以复用到GPT时代，但是还缺少Decoder导致的关键问题的解决方案。Encoder到Decoder的范式迁移，对训练变化很小，但对推理影响很大。从计算密集问题变成Prefill阶段计算密集，Decoding阶段访存密集的超级复杂的问题。在Bert时代的各种优化都没法用到Decoding阶段里。由于Decoding输出长度是不确定的，导致两个难以解决的关键问题:
• 一、如何动态打Batching在输出token长度不确定时减少无效的padding计算
• 二、如何动态分配GPU显存给KVCache且没有空闲浪费。
推理虽然起步晚，但是发展速度要比训练快很多倍。因为，推理资源需求小，门槛低，大家都能参与进来，集思广益，汇聚广大人民群众的智慧，很多问题都会立刻暴露，然后立刻解决。2022年，OSDI论文ORCA[18]提出了Continous Batching，解决了问题一。而就在距离今天exactly一年前的2023年6月，国内绝大多数大模型从业这都不知道Continous Batching。2023年的，SOSP论文Paged Attention[19]解决了问题二。
开源社区发展迅猛，排除Accelerate，DeepSpeed-Inference这些只做计算不做调度的Library，开源领域最早的推理框架是huggingface的TGI（text-generation-inference[20]），最初是给huggingface页面上面host的模型做推理。不过先发优势在推理框架领域失效，一部分原因是此框架用Rust写了调度部分，让大部分人没法参与其中，曲高和寡了。这时候国内其实已经出现了一些不错的开源推理框架，比如商汤的LMDelopyer[21]。
真正的Game Changer是伯克利的vLLM[22]，2023年6月开源出来，以其独创的Paged Attention技术一战成名。这时候刚好各种大模型也都训出了第一个版本，vLLM一下子满足了这波集中上线部署的需求。2023年9月份，NVIDIA推出了TensorRT-LLM，先是定向开源给企业内测，后面又对外开源，也分走了推理一大块蛋糕。2023年初NVIDIA才正式组织力量去发展Decoder模型推理框架，TensorRT-LLM缝合了TensorRT，Triton-server和FT三大王牌产品，足以见得推理需求的收敛其实也是最近一年才形成的。
有了推理框架，很多实验性工作可以摊开。GPTQ，AWQ等量化方法。投机采样，多头Medusa等增加Decoding阶段计算访存比，FastGen、ChunkPrefill等Batching调度策略，DistServe、Splitewise等分离式调度策略，更多NPU支持。
训练推理的需求一下子就起来了，吸引很多人才加入大模型Infra领域，大模型Infra领域迎来了一波繁荣，普通人只要学习能力强，就有机会上车，因此我称之为黄金时代。
2024-：白银时代
2024年，尽管大模型百花齐放，但是生产资料向头部集中，从业者阶级固化加剧，大模型Infra进入白银时代。
在经历2023年的FOMO带来疯狂之后，大家开始冷静下来，一些人开始退场，一些人开始扩张。
在预训练领域，GPU资源开始向头部集中。创业公司剩下那么六七家，部分和云厂商抱团。大厂内部也只有一个钦定的团队收走全部GPU做预训练。这个是和小模型时代显著不同的，之前每个业务团队都可以训练自己的模型，都能自己管理一些GPU算力。就好比，原来每个省都自己有一支部队，现在国家只有中央军了。因此，对人才的需求比传统AI业务要少，但是想入行的人极具增多，用人门槛有极具升高。如果不是加入国内那十几个预训练团队，大部分人可能和预训练无缘了。
在微调和推理领域，机会也在收缩。分开源和闭源模型两个方面来看收缩原因。对闭源模型，微调和推理都是还是被预训练团队垄断的，因为几个亿烧出来的模型权重不能外流，只能客户拿数据进驻和被私有化部署。对开源模型，之前大家可能会认为，有了开源模型人人都可以做预训练下游的微调+部署流程。一个反直觉现象，尽管开源大模型数量在增多，能力在增强，但是微调和训练需求在减少。第一，微调的难度其实非常高，没有训模型经验是调不出自己预期的效果的，所以RAG方式大行其道，这只需要调用大模型MaaS API即可。第二，推理也非常卷，集成量化、调度、投机采样每一项技术的最佳实践难度不低。而且现在一些潮流分离式，混部等技术，对工程要求越来越高。一个小团队去搞推理部署反而干不过一些免费的开源MaaS的API，那个后面都有专业人士优化。
综上，大模型是和业务非常解耦的一项技术，更像是云厂商或者芯片。传统后台在线、离线系统，因为很多东西和业务有关，并不是标准件，因此没有做到最佳实践也有存在价值。对于大模型Infra，有开源框架作为一个水位线，the best or nothing，如果做不到最好就没有存在价值。因此，也可以参考芯片产业，资源会集中在少数巨头手中，大部分只能参与更下游的配套，比如RAG，Agent之类的。
综合看来，在白银时代，大模型Infra总体需求在增加，但是有马太效应，“凡有的，还要加给他，叫他有余；凡没有的，连他所有的也要夺去”。胜地不长，盛筵难再，已经上车的可以感受到刺激的推背感，但是没上车的只能干瞪眼。
但白银时代，毕竟也是一种贵金属，还是有很多机会。大模型Infra的盘子还在增大，更多的芯片，更多的新算法创新也在路上，这时候入行，体格强壮的挤一挤还是能上车的。
白银时代一些建议
大家常说七年一个周期，2016年Alpha-Go用深度学习开启了一个周期，到2022年ChatGPT用大模型开启了一个新周期。
很多人现在抱着有超额回报期望来入行大模型Infra，在白银时代这个预期需要降低。能过踩中周期的注定是少数人，因为有分歧才有风险，有风险才有超额收益。现在大模型的共识早就凝聚了，这个领域也注定会供需平衡，变成用市场规律说话。就好比你看买菜大妈就开始买某股票时候，这支股票已经挣不到钱了。
大模型注定会深刻改变我们的世界，但资源和信息向头部集中的趋势非常可怕。一方面，大模型核心技术被一小撮人掌握，比如OpenAI。另一方面，面对巨大信息差和算力差，普通人无法参与到大模型的开发体系中。就像萝卜快跑正在代替网约车司机，AI总有一天会也代替程序员。如何在生产力进步后的世界里找到自己的位置，不要沦为AGI世界的二等公民，是我们每个人焦虑的根源。
让社会不恐惧AI，让社会理性规划和AI融洽相处的未来，一方面要有对巨头有监管，另一方面，让更多人有平等了解大模型技术的机会。这个世界还是很有人在为后者努力，通过代码开源和公开论文，扩散大模型的技术。作为想入行的同学，可以借助开源力量，来让自己和也业界保持同步。这里也有大量还没有解决的技术挑战等待你来解决。另外，像Agent等，多模态，具身智能等技术方向方兴未艾，也可以提前布局下一个时代潮流。
作为大模型Infra从业者，白银时代需要的是苦练基本功。在2023年，有很多人是在用信息差体现自己价值，某件事我知你不知，你试还得花时间，很多人在极度激烈竞争中也原意为信息差知识付费。今年这种机会会大幅减少，大家比拼的就是真本领了，是否能快速follow新技术，是否能独立搞定一个复杂大系统，是否有更大的技术视野和其他合作方对话的能力，这要求不仅了解Infra还解一些算法、云计算的知识，总体来说传统工程师素养变得尤为重要。
本人也一直希望能为民主化AI贡献薄力，我的github签名就是Dem)ocratizing LLM。我过去一年分享是解读大模型Infra前沿论文为主。进入白银时代，我深切感觉到低垂的果实已经几乎被摘光，现在论文的也不如前两年精彩。之前的论文经常有定义一些LLM关键问题之洞见，比如ZeRO，ORCA和PagedAttention这些，现在的论文则很少有这种眼前一亮的内容的。我计划在未来系统性地分享大模型Infra领域的基础知识，旨在揭示其背后的普适原理，力求让没有没有AI背景的后台开发经验的同学或本科生也能轻松理解。这个想法还不成熟，也欢迎大家给一些建议。
引用链接
[1] Attention is All you Need: https://proceedings.neurips.cc/paper/2017/hash/3f5ee243547dee91fbd053c1c4a845aa-Abstract.html[2] ELMo: https://arxiv.org/abs/1802.05365[3] MoE: https://arxiv.org/abs/1701.06538[4] GShard: https://arxiv.org/abs/2006.16668[5] MeshTensor: https://proceedings.neurips.cc/paper/2018/hash/3a37abdeefe1dab1b30f7c5c7e581b93-Abstract.html[6] Gopher: https://arxiv.org/abs/2112.11446[7] Chinchilla: https://arxiv.org/abs/2203.15556[8] FlexFlow: https://proceedings.mlsys.org/paper_files/paper/2019/hash/b422680f3db0986ddd7f8f126baaf0fa-Abstract.htm[9] GPipe: https://proceedings.neurips.cc/paper_files/paper/2019/hash/093f65e080a295f8076b1c5722a46aa2-Abstract.htm[10] Parameter Server: https://proceedings.neurips.cc/paper/2014/hash/1ff1de774005f8da13f42943881c655f-Abstract.html[11] Oneflow: https://arxiv.org/abs/2110.15032[12] M6: https://arxiv.org/abs/2103.00823[13] GLM: https://arxiv.org/abs/2210.02414[14] Pangu-alpha: https://arxiv.org/abs/2104.12369[15] PatrickStar: https://arxiv.org/abs/2108.05818[16] FasterTransformers（FT）: https://github.com/NVIDIA/FasterTransformer[17] TurboTransformers: https://github.com/Tencent/TurboTransformers[18] ORCA: https://www.usenix.org/conference/osdi22/presentation/yu[19] Paged Attention: https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3600006.3613165[20] text-generation-inference: https://github.com/huggingface/text-generation-inference[21] LMDelopyer: https://github.com/InternLM/lmdeploy[22] vLLM: https://github.com/vllm-project/vllm
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