基于Atlas A3、950训练/推理集群的Qwen3-MoE模型低时延推理性能优化实践
【免费下载链接】cann-recipes-infer本项目针对LLM与多模态模型推理业务中的典型模型、加速算法，提供基于CANN平台的优化样例项目地址: https://gitcode.com/cann/cann-recipes-infer
概述
本文主要介绍Qwen3-MoE模型基于NPU的低时延推理优化策略。
- 基于Atlas A3 训练/推理系列产品，decode采用8卡部署，实现BF16场景下单batch推理时延小于20ms。
- 基于Atlas 950 PR 训练/推理系列产品，decode采用4卡部署，实现W4A8混精推理4K场景下单batch Prefill时延小于280ms,Decode时延小于24ms。
低时延场景Tensor Parallel (TP)优化
Attention TP优化
切分策略
对Attention的张量切分策略可以分为对QKV头的切分和对线性层的切分。 在对QKV头切分时，attention的多头计算机制可以方便进行张量切分，每个头先独立计算，再将结果concat起来。假设模型的attention层需要对num_heads个query按照切分数量attn_tp_size进行切分，要求num_heads必须能被attn_tp_size整除，每张卡放置query头个数为num_heads_per_rank = num_heads // attn_tp_size；key和value头数相等，且可能小于等于query头个数（在MQA和GQA的场景下会小于）。为了确保每张卡至少放置一个key和value头，每张卡放置的key或value头数计算方法为num_key_value_heads_per_rank = max(num_key_value_heads // attn_tp_size, 1)。QKV头在多卡上的排布情况如下图所示。
在对线性层o_proj进行切分时，按照行切分即可。
计算分解
该优化策略先将Q、K、V的线性层计算合并为一次Matmul计算（图中merged_qkv_proj），提升计算性能。将merged_qkv_proj的输出结果按Q、K、V拆分后，对Q和K进行归一化操作并使用旋转位置编码，再计算attention（图中Fused_infer_attention_score），最后通过o_proj层输出。
MoE TP优化
切分策略
假设模型的MoE层的切分数量为moe_tp_size，专家个数为expert_num。对MoE层进行张量切分，每个专家相当于一个mlp层，切分方法与mlp的张量切分方法相似。具体做法是对gate_proj与up_proj进行列切分，对down_proj进行行切分。同时对gate_proj与up_proj线性层采用合并计算的优化方式，得到w13_weight。
计算分解
每个专家层存在gate_proj、up_proj与down_proj三个matmul运算，具体运算为 x = down( SiLU(gate(x))*up(x) )。本优化将张量切分后的gate_proj和up_proj进行concat操作，再使能torch_npu.npu_swiglu融合算子接口优化，该算子能完成以下两步计算：
- 将输入的x沿最后一维切分为两块，即x = torch.chunk(x, 2, -1)。
- 计算并返回 SiLU(x[0]) * x[1]。
本优化通过将gate_proj与up_proj合并计算，提升整体计算效率。
使能融合算子
GMM使能和Routing优化
在MoE模块中，如果通过for循环处理每个专家，单独计算expert_num个前馈神经网络（FFN），容易导致计算效率较低。CANN提供了GroupedMatmul算子，可以同时计算多个专家，从而提高计算和搬运效率。具体实现可参考在Qwen3MoeSparseMoeBlock类中的moe_infer_tp和moe_infer_fusion函数。
- 快速选择专家：在计算专家和token之间的路由分数时，可以使用torch_npu.npu_moe_gating_top_k_softmax融合算子，代替原来先topk再softmax多算子操作，可以更快速地计算出token和专家的分数。
- 高效排序和token路由：
- 使能torch_npu.npu_moe_init_routing融合算子，实现MoE routing计算，获取专家的排序；
- 使能torch_npu.npu_moe_compute_expert_tokens融合算子，获取每个专家需要计算的token数；
- 使能torch_npu.npu_moe_finalize_routing融合算子，将专家计算完成后的token重新排布并加权求和，获得最终输出。
- 高性能专家计算：使能torch_npu.npu_grouped_matmul融合算子，实现多个专家的矩阵乘计算，提高计算和搬运效率。
RmsNorm算子优化
通过使能torch_npu.npu_rms_norm算子，能够提升模型的推理性能。RmsNorm是大模型常用的归一化操作，相比LayerNorm，其去掉了减去均值的部分。
flash attention融合算子优化
通过使能torch.ops.npu.npu_fused_infer_attention_score推理场景下支持图模式的FlashAttention算子，既可以支持全量计算场景，也可支持增量计算场景。
使能图模式
使用静态图可以获得更好的推理性能。Qwen3MoeRunner通过覆写executor/model_runner.py中的ModelRunner的graph_compile函数，将模型编译为静态图。
使能图编译缓存
在模型推理场景下，使能图编译缓存可以缓存编译后的静态图，避免每次推理都需要编译模型，从而提高推理性能。可参考Qwen3MoeRunner中graph_compile函数中的使用：
if self.enable_cache_compile: case_name = "compile_cache/" + os.getenv("CASE_NAME") cache_dir = os.path.join(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)), case_name) self.model.decode = tng.inference.cache_compile(self.model.decode, cache_dir=cache_dir, config=compiler_config, dynamic=True, fullgraph=True, ge_cache=True)缓存默认路径为./compile_cache/CASE_NAME。
集合通信使能AIV展开
利用Device的Vector Core计算单元来加速通信操作的执行，可参考HCCL_OP_EXPANSION_MODE环境变量：
export HCCL_OP_EXPANSION_MODE=AIV高吞吐场景Prefill优化（Attention SP+TP, MoE EP）
概述
在Prefill推理场景下，模型需要一次性处理完整的输入序列，计算密集度高。为在TTFT时延约束下实现最大吞吐，采用Attention序列并行（SP）+张量并行（TP）与MoE专家并行（EP）的组合策略，结合MXFP8/MXFP4量化与多算子融合，显著降低Prefill阶段的计算与通信开销。
Attention SP+TP优化
并行策略选择
Prefill阶段算子多为计算bound，TP并行在切分后每卡的序列长度缩短，但AllReduce通信量与完整序列成正比。SP并行沿序列维度切分，每卡仅处理seq_len // attn_tp_size长度的子序列，通信算子采用AlltoAll，通信数据量更小且可配合低bit量化。
综合考虑通信数据量、数据类型和额外引入算子三个因素，Prefill阶段Attention采用SP+TP混合并行：
- FA前通信：使用AllGather将各Rank的子序列聚合成完整序列，配合MXFP8量化减小通信体积；
- FA后通信：使用AlltoAll将o_proj的输出按序列维度重新分发到各Rank，配合MXFP8量化。
切分策略
输入序列沿token维度按attn_tp_size均分，每个Rank处理seq_len // attn_tp_size个token。要求输入序列长度能被attn_tp_size整除，不足时进行padding对齐。
Rank 0: [token_0, ..., token_{S/P-1}] Rank 1: [token_{S/P}, ..., token_{2S/P-1}] ... Rank P-1: [token_{(P-1)S/P}, ..., token_{S-1}]其中S为序列长度，P为attn_tp_size。
计算分解
Prefill阶段的Attention计算流程如下：
- 序列切分与Embedding：输入
input_ids按attn_tp_size切分，每个Rank仅对自身持有的子序列做Embedding； - AllGather聚合：通过
dist.all_gather_into_tensor将各Rank的hidden_states聚合为完整序列，若使能MXFP8量化则同时聚合hidden_states_scale； - merged_qkv_proj：对聚合后的完整序列执行QKV线性层计算；
- FlashAttention：使用
npu_fused_infer_attention_score_v2完成注意力计算； - o_proj + AlltoAll：o_proj使用
ReplicatedLinear（每卡持有完整权重），输出经MXFP8量化后通过AlltoAll按序列维度重新分发，每个Rank仅保留自身负责的子序列部分； - MoE输入准备：AlltoAll后的输出shape为
(seq_len // attn_tp_size, hidden_size)，直接作为MoE层的输入。
MoE EP优化
并行策略选择
MoE部分支持TP和EP两种并行方式。TP并行会将GMM的K或N轴切得过小，导致计算性能下降。EP并行每个Rank持有部分专家，通过通信完成token与专家的路由匹配，在ep_rank数较小时通信开销可控。
EP并行进一步分为AllGather方案和Double Routing（AlltoAll）方案：
| 并行策略 | 通信算子 | 通信数据量 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| EP (AllGather) | AllGather + ReduceScatter | (B,S,H) × 2 | ep_rank较小、top_k > ep_rank时数据量更小 |
| EP (Double Routing) | AlltoAll + AlltoAll | (BS×top_k/ep_rank, H) × 2 | 大EP场景、ep > top_k时数据量更小 |
当前Qwen3-MoE模型top_k=8，在ep_rank=4时top_k > ep_rank，AllGather方案通信数据量更小，为默认优选方案。
计算分解（AllGather方案，W4A8量化）
当使能W4A8（MXFP4）量化且attn_tp_size == moe_ep_size时，MoE EP采用AllGather + ReduceScatter通信模式，具体流程如下：
- MXFP8量化：对输入
hidden_states执行npu_dynamic_mx_quant，得到MXFP8量化数据及scale； - AllGather：通过
dist.all_gather_into_tensor聚合各Rank的量化数据、scale、topk_ids和topk_weight，得到完整序列的token信息； - Routing：使用
npu_moe_init_routing_v2对聚合后的token进行专家路由，仅筛选属于本Rank的专家范围内的token； - GMM计算：通过
npu_grouped_matmul（封装在FusedMoEGMM中）完成多专家并行矩阵乘计算； - Finalize Routing：使用
npu_moe_finalize_routing将专家计算结果按路由信息重新排布并加权求和； - ReduceScatter：通过
dist.reduce_scatter_tensor将各Rank的部分结果归约并分发，每个Rank获得自身负责的子序列输出。
计算分解（Double Routing方案）
当未使能W4A8量化时，MoE EP采用Double Routing（AlltoAll）通信模式，具体流程如下：
- Routing：使用
npu_moe_init_routing_v2对token进行初始路由和排序； - Dispatch（AlltoAll）：通过
dist.all_to_all_single将token按专家归属分发到对应Rank，同时交换tokens_per_expert信息用于确定接收数量； - Re-routing：使用
npu_moe_re_routing对接收到的token进行二次排序； - GMM计算：通过
npu_grouped_matmul完成专家计算； - Combine（AlltoAll）：将专家计算结果通过
dist.all_to_all_single回传到原始Rank； - Finalize Routing：使用
npu_moe_finalize_routing完成最终的结果归约。
融合算子优化
Prefill场景下，为减少量化引入的额外算子开销，将归一化、残差加法与量化操作进行融合：
融合RMSNorm + MX量化
通过使能torch_npu.npu_add_rms_norm_dynamic_mx_quant融合算子，将残差加法、RMSNorm归一化和MXFP8动态量化合并为一次计算，避免中间结果的反复读写：
hidden_states_mx, residual, hidden_states_scale, _ = \ torch_npu.npu_add_rms_norm_dynamic_mx_quant( hidden_states, past_residual, norm_weight, beta=None, epsilon=variance_epsilon, round_mode='rint', dst_type=torch.float8_e4m3fn )当残差为None时（首层），使用torch_npu.npu_rms_norm_dynamic_mx_quant完成RMSNorm + MX量化融合。
融合RMSNorm + Cast
MoE前的归一化需要同时输出FP32（用于gate计算）和BF16（用于专家计算）两种精度，通过使能torch_npu.npu_add_rms_norm_cast融合算子，将残差加法、RMSNorm和数据类型转换合并：
hidden_states_fp32, hidden_states_bf16, _, residual = \ torch_npu.npu_add_rms_norm_cast( hidden_states, residual, norm_weight, epsilon )配置说明
在YAML配置文件中设置Prefill SP+TP与MoE EP相关参数：
parallel_config: attn_tp_size: 4 # Attention SP/TP并行度，Prefill时同时作为序列并行度 moe_tp_size: 1 # MoE TP大小，EP场景下设为1 moe_ep_size: 4 # MoE EP大小，需与attn_tp_size相等以启用SP优化路径参数约束：
| 参数 | 约束条件 | 说明 |
|---|---|---|
attn_tp_size | world_size % attn_tp_size == 0 | Attention并行度 |
moe_ep_size | world_size % moe_ep_size == 0 | MoE专家并行度 |
attn_tp_size == moe_ep_size | 推荐相等 | 启用Prefill SP优化路径（prefill_opt） |
seq_len | 需能被attn_tp_size整除 | 不足时自动padding对齐 |
附录
环境部署以及样例执行
【免费下载链接】cann-recipes-infer本项目针对LLM与多模态模型推理业务中的典型模型、加速算法，提供基于CANN平台的优化样例项目地址: https://gitcode.com/cann/cann-recipes-infer
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
![[C++]内存管理：串顺序存储的内存回收](http://pic.xiahunao.cn/yaotu/[C++]内存管理：串顺序存储的内存回收)
