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arxiv.org·2026/10/21·Junhyeok Park / Jungeun Yoon 等
LLM推理中prefill以GEMM为主、decode以GEMV为主,GPU在decode利用率低,NPU在decode吞吐接近GPU且功率/成本效率更高;作者据此将prefill映射到GPU、decode映射到NPU,但跨设备KV cache传输面临RDMA互操作和tensor layout差异。HAWK通过Linux RDMA建立GPU-NPU直连路径,GPU侧对KV张量做transfer-aware变换以部分对齐目标NPU布局并聚合连续区域,NPU侧按DRAM通道分配tensor-layout-aware RDMA buffer,在传输中完成剩余布局对齐且免去接收端重排。原型在A100 GPU、Tenstorrent p150a NPU上运行vLLM与Mooncake Transfer Engine,对Llama 3.1 70B评测Chatbot和Summarization。作者报告GN-HAWK的KV传输延迟仅比GPU-to-GPU RDMA高0.65%,90% SLO下输出吞吐相对GG-Direct最多差7.88%,功率效率最高1.26×、成本效率最高1.72×。这表明异构GPU-NPU阶段分离能以较小性能损失换取效率提升;当前受NPU软件栈限制模型/平台绑定,TPOT差距主要源于NPU decode性能,作者计划开源实现。
为什么重要 为 GPU-prefill/NPU-decode 异构推理解决了跨设备张量布局错配与碎片化两大工程障碍,给出可复现的端到端证据适合 适合做 LLM 服务系统、跨加速器推理、KV cache 传输优化的工程师与研究者
大语言模型(LLM)推理在其两个阶段表现出截然不同的计算特性:prefill 是计算密集型的,而 decode 则更偏内存受限。因此,AI 加速器在两个阶段达到的效率水平各不相同。GPU 非常适合 prefill,但在 decode 期间常常未被充分利用;相比之下,NPU 在 decode 期间能更有效地利用其计算资源。
受此观察启发,我们探索了一种集成 GPU 与 NPU 的异构架构,将 prefill 映射到 GPU、decode 映射到 NPU,以实现高性能与高效率。然而,实现这种异构集成颇具挑战,因为 LLM 阶段分离需要将 KV cache 从 prefill 传输到 decode(即从 GPU 传输到 NPU),而设备间通信机制和 KV cache 张量布局的差异使这一过程变得复杂。为解决这一问题,我们提出 HAWK,一种能在异构设备间实现快速 KV cache 传输的机制。
HAWK 建立了一条远程直接内存访问(RDMA)通路用于直接的跨设备传输,同时将设备间张量布局差异的处理纳入传输过程的一部分。具体而言,HAWK 在 NPU 侧分配布局感知(tensor-layout-aware)的 RDMA 缓冲区,以匹配目标张量布局。借助这些缓冲区,HAWK 将数据从常规的连续 GPU RDMA 缓冲区编排传输到相应的 NPU 缓冲区,使传输后的张量无需额外的数据重排即可直接被使用,同时保持传输效率。
我们在一个由商用 GPU 和 NPU 构建的系统上实现并评估了 HAWK,结果表明:在相同 SLO 约束下,其性能与纯 GPU 系统相差不超过 7.88%,同时实现了最高 1.26× 的能效提升和 1.72× 的成本效率提升。
Large language model (LLM) inference exhibits distinct computational characteristics across its two phases: prefill is compute-intensive, whereas decode is more memory-bound.
As a result, AI accelerators achieve varying levels of efficiency across the two phases. GPUs are well suited to prefill, but are often underutilized during decode.
By contrast, NPUs can utilize their compute resources more effectively during decode.
Motivated by this observation, we explore a heterogeneous architecture that integrates GPUs and NPUs, mapping prefill to GPUs and decode to NPUs to achieve high performance and efficiency.
However, realizing such heterogeneous integration is challenging because LLM phase disaggregation requires KV cache transfer from prefill to decode (that is, from GPUs to NPUs), which is complicated by differences in inter-device communication mechanisms and KV cache tensor layouts.
To address this, we propose HAWK, a transfer mechanism that enables rapid KV cache transfer across heterogeneous devices.
HAWK establishes a remote direct memory access (RDMA) path for direct cross-device transfers while handling inter-device tensor layout discrepancies as part of the transfer process.
In particular, HAWK allocates tensor-layout-aware RDMA buffers on the NPU side to match the target tensor layout.
Leveraging these buffers, HAWK orchestrates data transfer from a conventional contiguous GPU RDMA buffer to the corresponding NPU buffers, allowing transferred tensors to be consumed directly without additional data rearrangement while maintaining transfer efficiency.
We implement and evaluate HAWK on a system built with commercially available GPUs and NPUs, demonstrating performance within 7.88% of a GPU-only system under the same SLO constraints while achieving up to 1.26× higher power efficiency and 1.72× higher cost efficiency.
传输加速
较 host-staged
延迟差
vs GPU-to-GPU 术语解释远程直接内存访问,NIC 不经 host 直接读写设备内存
功耗效率
vs GG-Direct
成本效率
vs GG-Direct
注释 · 数据来自摘要与 5.3 节端到端评测;加速比是对 naive host-staged 传输,效率对比为 90% SLO 下 GN-HAWK vs GG-Direct。出自 §Abstract, §5.3, §5.4
注释 · 来自表3,说明 GPU decode 时 compute 利用率低,是 NPU 切入的切入点。出自 表 3

EVIDENCE / METHODS
表格
预填充用 4× A100 40GB,解码 NPU 用 4× p150a,网络为 200Gbps HDR InfiniBand。
| 配置项 | 预填充实例 | 解码 NPU 实例 |
|---|---|---|
| 硬件设备 | 4× NVIDIA A100 PCIe 40GB | 4× Tenstorrent p150a |
| 网络互联 | 200Gbps HDR InfiniBand, ConnectX-6 | 同一网络 |
| 服务框架 | vLLM | vLLM + Tenstorrent 插件 |
| 并行策略 | TP=4 | TP=4 |
| 模型 | Llama 3.1 70B (148GB) | 同一模型 |
注释 · 表7 汇总;移除了未提到的 GPU 解码节点之外的配置,突出异构对比。出自 表 7
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