arxiv.org·2026/10/20
针对LLM推理中prefill计算密集、decode访存密集造成的PD分离资源失衡,DuoPD不靠扩充内部带宽,而是在HBM逻辑die嵌入轻量PNM,让GPU专做prefill、PNM执行完整decode,以复用prefill阶段未用满的HBM带宽。系统通过共享TSV接口、绕过内存控制器的直接数据转发、MMU请求仲裁与统一地址空间减少GPU和PNM互相干扰,并用分层映射、序列并行、FlashDecoding在多个PNM间分布权重和KV缓存,使模型参数可被双方共享而缓存按阶段交接。作者用cycle级仿真在服务器级dense、GQA与MoE模型上测试,称相同GPU预算下相比传统PD分离,端到端吞吐最高2.23×,TPOT最多降77.66%,TTFT和高负载尾延迟也更稳;相比SM分区与只卸载部分decode的PIM/PNM,该方案避免算力与带宽竞争,也不需要为扩容TSV付出面积功耗代价;资源画像显示GPU计算利用接近prefill实例,带宽利用接近decode实例。面积功耗与热分析称PNM可放入逻辑die,但长输出大批次增益受限。
为什么重要 为 LLM 推理分离架构提供不堆 HBM 物理带宽、复用 TSV 空闲带宽的路线;适合评估 serving 硬件成本收益,但尚属仿真结果。适合 关注 LLM 推理硬件、GPU 架构、近存计算/PIM 落地的工程师与研究者。
大语言模型(LLMs)的日益普及显著增加了推理服务的计算和内存需求。一个关键挑战来自计算密集型 prefill 与内存密集型 decoding 之间的不匹配:当二者一起执行时,这两个阶段会相互干扰,而通过 prefill-decode(PD)分解将它们分开会导致严重的资源利用不足。具体而言,prefill 使内存带宽未被充分利用,而 decoding 未充分利用计算资源。
先前的方法,例如 GPU 流式多处理器(SM)划分,试图通过空间划分 GPU 资源来提高利用率。然而,这些方法从根本上仍然受限,因为内存密集型 decoding 仍需要大量 SM 才能饱和带宽,从而减少了可用于 prefill 的计算资源,导致固有的权衡。
为了解决这一限制,我们提出 DuoPD,一种混合 PD 分解架构,将轻量级近内存处理(PNM)单元集成到 HBM 逻辑裸片中。与先前依赖昂贵的内部带宽扩展且仅卸载部分 decoding 操作的 PIM/PNM 设计不同,DuoPD 通过利用与 GPU 在共享 HBM 接口上的带宽共享,实现了在 PNM 上的完整 decoding 执行。
这使得计算密集型 prefill 和内存密集型 decoding 能够以最小干扰并发执行,从而提高计算和内存利用率。为了实现这一设计,我们开发了紧凑的 PNM 微架构、TSV 级带宽共享机制,以及为混合 GPU-PNM 执行量身定制的分层数据映射方案。在服务器级 LLM 上的评估表明,DuoPD 相比传统 PD 分解实现了高达 2.23 倍的端到端吞吐量提升。
The growing adoption of large language models (LLMs) has significantly increased the compute and memory demands of inference serving.
A key challenge arises from the mismatch between compute-bound prefill and memory-bound decoding: when executed together, the two phases interfere, while separating them via prefill-decode (PD) disaggregation leads to substantial resource underutilization.
Specifically, prefill leaves memory bandwidth underutilized, whereas decoding underutilizes compute resources.
Prior approaches, such as GPU Streaming Multiprocessor (SM) partitioning, attempt to improve utilization by spatially dividing GPU resources.
However, these approaches remain fundamentally limited, as memory-bound decoding still requires a large number of SMs to saturate bandwidth, reducing the compute resources available for prefill and resulting in an inherent trade-off.
To address this limitation, we propose DuoPD, a hybrid PD-disaggregation architecture that integrates lightweight Processing-Near-Memory (PNM) units into the HBM logic die.
Unlike prior PIM/PNM designs that rely on costly internal bandwidth scaling and offload only partial decoding operations, DuoPD enables full decoding execution on PNM by leveraging bandwidth sharing with the GPU over a shared HBM interface.
This allows compute-bound prefill and memory-bound decoding to execute concurrently with minimal interference, improving both compute and memory utilization.
To realize this design, we develop a compact PNM microarchitecture, a TSV-level bandwidth sharing mechanism, and a hierarchical data mapping scheme tailored for hybrid GPU-PNM execution.
Evaluations on server-scale LLMs demonstrate that DuoPD achieves up to 2.23x higher end-to-end throughput than conventional PD-disaggregation.



| 对比项 | 之前 / 基线 | 现在 / 本方案 | |
|---|---|---|---|
| 端到端吞吐量 | 1x conventional PD-disaggregation | 官方称最高 2.23x相同 GPU 预算下 simulation 结果 |
EVIDENCE / METHODS
要点
混合 prefill/decoding 会让 decoding 延迟被长 prefill 拖高,增加 TPOT 尾延迟。
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