大語言模型(LLMs)推理過程中的批處理優(yōu)化面臨顯著挑戰(zhàn)，這主要源于其推理過程的迭代特性。核心問題在于批處理中的各個請求完成時間存在差異，這導致資源釋放和新請求整合的復雜性顯著提高，特別是在處理不同完成階段的請求時。當批處理中序列的生成長度差異較大時，GPU資源利用率往往不夠理想。如下圖所示，序列1、3和4中，結束符號（EOS）之后的白色區(qū)塊直觀地展示了GPU資源的閑置狀態(tài)，凸顯了當前批處理方法的效率損失。

ORCA系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出了持續(xù)批處理概念，通過引入迭代級調(diào)度和選擇性批處理機制，有效解決了大語言模型批處理中的關鍵技術挑戰(zhàn)。

特性1 — 迭代級調(diào)度

下圖詳細展示了基于迭代級調(diào)度的ORCA系統(tǒng)架構及其工作流程。ORCA系統(tǒng)對外提供標準化接口（支持HTTPS或gRPC協(xié)議）用于處理推理請求。系統(tǒng)將接收到的請求存儲于請求池中，由調(diào)度器進行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。調(diào)度器的核心職責包括：從請求池中篩選請求、調(diào)度執(zhí)行引擎執(zhí)行模型迭代、接收引擎輸出的標記序列，并據(jù)此更新請求池狀態(tài)。執(zhí)行引擎負責進行張量運算，支持跨多GPU和多機器的并行處理能力。與傳統(tǒng)批處理方法不同，ORCA的調(diào)度器能夠在每次迭代中動態(tài)調(diào)整處理請求的組合，提供了更靈活的請求處理機制。當某個請求處理完成后，系統(tǒng)將其從請求池中移除，并通過接口返回響應結果。這種方法突破了傳統(tǒng)批處理必須等待所有請求完成全部迭代的限制。

特性2 — 選擇性批處理

選擇性批處理技術通過在張量運算中實現(xiàn)差異化的批處理策略，顯著提升了模型處理的靈活性。這種創(chuàng)新方法特別適用于處理形狀不規(guī)則的輸入張量場景，這類張量通常難以直接合并為統(tǒng)一的大規(guī)模張量進行批處理。在非注意力機制的矩陣乘法運算和層歸一化等操作中，選擇性批處理采用將不規(guī)則張量重構為無批處理維度的二維結構的方式，實現(xiàn)統(tǒng)一的大規(guī)模矩陣計算。這種優(yōu)化策略的可行性基于這些操作的逐標記處理特性，使得來自不同請求的標記可以等同處理。但是對于需要請求專屬鍵值對的注意力機制操作，系統(tǒng)采用分離式批處理策略，確保每個請求獨立處理。注意力操作完成后，輸出結果會重新合并為統(tǒng)一張量用于后續(xù)處理。ORCA通過K/V管理器持久化存儲先前注意力操作產(chǎn)生的鍵值對，使增量請求能夠在多輪迭代中復用這些信息。

分布式架構設計

ORCA系統(tǒng)在Transformer模型并行化方面融合了兩種關鍵技術：層內(nèi)并行與層間并行。層內(nèi)并行技術（這也是FasterTransformer采用的方法）主要針對矩陣乘法運算（包括線性變換和注意力機制）及其參數(shù)在多GPU間進行分配。而層間并行則致力于在多個GPU之間分配Transformer層。ORCA采用均衡分配策略，確保每個GPU負責處理相同數(shù)量的Transformer層。例如，對于一個4層GPT模型，可以先劃分為2個層間并行分區(qū)，每個分區(qū)再細分為3個層內(nèi)并行分區(qū)，最終形成6個GPU的協(xié)同計算架構。

FasterTransformer是NVIDIA開發(fā)的開源優(yōu)化庫，專注于加速Transformer模型，支持BERT、GPT-2、GPT-J和T5等主流架構。目前，F(xiàn)asterTransformer的技術演進已轉移至TensorRT-LLM平臺。

ORCA執(zhí)行引擎采用分布式執(zhí)行策略，將工作進程分配到不同物理機器上，每個工作進程負責管理一個或多個控制GPU的CPU線程。在具體實現(xiàn)中，每個工作進程專注于處理模型的特定層間分區(qū)，而線程數(shù)量則由層內(nèi)并行度決定。當系統(tǒng)為一批請求調(diào)度模型迭代時，引擎主控程序首先向第一個工作進程（Worker1）傳遞必要的計算信息，包括標記序列和控制指令。Worker1隨后將這些信息分發(fā)給其管理的GPU控制線程，觸發(fā)相應的GPU計算內(nèi)核。同時，Worker1采用非阻塞方式將控制指令轉發(fā)給下一個工作進程（Worker2）。最后一個工作進程在確保其GPU任務全部完成后，負責匯總輸出標記并將結果返回給引擎主控程序。這種架構設計實現(xiàn)了跨設備、跨機器的高效分布式計算。

調(diào)度算法設計

ORCA調(diào)度器采用基于到達時間的優(yōu)先級機制，在最大批處理大小約束下動態(tài)選擇請求進行處理。系統(tǒng)在首次調(diào)度請求時會預分配存儲鍵值對所需的內(nèi)存空間。調(diào)度過程中Select函數(shù)確保嚴格遵循請求的時間優(yōu)先級進行批次選擇。調(diào)度器通過評估最大標記數(shù)需求，動態(tài)驗證新請求的內(nèi)存資源可用性。在確認內(nèi)存充足的情況下，系統(tǒng)保證為請求的完整生命周期預留必要的鍵值對緩存空間。整個調(diào)度機制采用并發(fā)處理模式，支持請求的動態(tài)添加和完成請求的及時移除。

ORCA調(diào)度器通過任務流水線化技術優(yōu)化工作進程執(zhí)行效率。系統(tǒng)不采用傳統(tǒng)的串行批次處理模式，而是維持并發(fā)運行批次數(shù)與工作進程數(shù)的動態(tài)平衡。這種策略確保了工作進程的持續(xù)高效運轉。例如在三工作進程配置下，最大批處理大小為二的場景中，調(diào)度器可以同時處理多個批次（如AB、CD、EF）。在調(diào)度第一個批次（AB）后，系統(tǒng)立即安排后續(xù)兩個批次（CD和EF）的處理，無需等待AB批次的完成。當AB批次處理完成后，如果這些請求仍具有時間優(yōu)先性，則會被重新納入調(diào)度流程。這種機制顯著提升了系統(tǒng)的資源利用率和整體吞吐性能。

性能評估

得益于創(chuàng)新的迭代級調(diào)度和選擇性批處理機制，ORCA系統(tǒng)在保持相同延遲水平的前提下，實現(xiàn)了相比FasterTransformer高達37倍的吞吐量提升，展現(xiàn)了顯著的性能優(yōu)勢。