月之暗面（Moonshot AI）和清華大學最新研究：推理吞吐量暴漲54%

緊跟Kimi K2.6，推一篇有點腦洞的論文，來自月之暗面（Moonshot AI）和清華大學的最新聯合研究

一句話說清楚：這論文在搞什么？

把 Prefill（預填充）變成一種跨數據中心的云服務。

聽起來有點抽象？我換個說法：以前大模型推理的 Prefill 和 Decode 兩個階段必須待在同一個機房里，因為中間傳輸的 KVCache 太大了，跨機房根本搬不動

而這篇論文說，新一代混合注意力模型的 KVCache 縮小了十幾倍甚至幾十倍，我們可以把 Prefill 拆出去、放到另一個機房的高算力集群上跑，然后用普通以太網把 KVCache 傳回來做 Decode

這個架構叫做Prefill-as-a-Service（PrfaaS），實測吞吐量比同構 PD 部署高 54%，比樸素異構方案高 32%

地址 arxiv.org/abs/2604.15039 為什么要搞跨數據中心？

先說背景

PD 分離（Prefill-Decode Disaggregation）已經是大規模 LLM 推理的標準范式了

Moonshot AI 自家的 Mooncake 系統就是這個方向的先行者，后來跟 vLLM、SGLang、Dynamo 都做了深度合作，把 KVCache 當成 vip 來管理

PD 分離的原理很簡單：Prefill 是計算密集型的，Decode 是內存帶寬密集型的，兩者對硬件的需求完全不同

理論上，我們應該用算力強的芯片專門跑 Prefill，用帶寬大的芯片專門跑 Decode——這就是所謂的異構推理

但現實很骨感，問題出在 KVCache 傳輸上

下圖展示了傳統單集群 PD 推理（左）和 PrfaaS 跨數據中心推理（右）的對比：

傳統PD架構 vs PrfaaS架構

在傳統的 Dense Attention 模型里，一個 32K token 的請求，單個 MiniMax-M2.5 實例產生的 KVCache 傳輸速率高達約 60 Gbps。這什么概念？一臺機器的跨數據中心以太網帶寬都扛不住。所以 Prefill 和 Decode 必須共享同一個高帶寬 RDMA 網絡，被死死綁在同一個機房里

下圖展示了 MiniMax-M2.5 在不同輸入長度下的 KV 吞吐量，可以看到帶寬需求有多恐怖：

MiniMax-M2.5 KV吞吐量

這就導致了一個尷尬局面：你想搞異構推理？可以，但你得把不同類型的芯片塞進同一個 RDMA 集群里。這在運維上極其僵化——你連 Prefill 和 Decode 的硬件比例都沒法靈活調整

混合注意力模型改變了游戲規則

這篇論文指出了一個關鍵的轉折點：新一代的混合注意力架構，正在從根本上改變 KVCache 的大小

什么是混合注意力？簡單說就是在模型里只保留少量的全注意力層（Full Attention），大部分層用線性注意力（Linear Attention）或滑動窗口注意力（SWA）替代。這些層產生的 KVCache 大小是固定的，不會隨輸入長度線性增長

論文里列出了一組最新的混合注意力模型：

模型

架構比例

KV 吞吐量@32K

MiniMax-M2.5（Dense）

全 GQA

~60 Gbps

Qwen3-235B（Dense）

全 MLA

~33 Gbps

Qwen3.5-397B

3:1 線性:全注意力

~8 GbpsMiMo-V2-Flash

5:1 SWA:全注意力

~4.7 GbpsRing-2.5-1T

7:1 線性:全注意力

更低

看到了嗎？從 60 Gbps 直接降到 4.7 Gbps，降了 13 倍！Ring-2.5-1T 更是靠 MLA + 7:1 混合比例實現了約36 倍的 KV 內存節省。

這個數量級的變化意味著：KVCache 終于可以用普通以太網跨數據中心傳了。

但是！光靠模型架構還不夠

論文強調得很清楚：實際工作負載是突發的，請求長度嚴重不均，前綴緩存分布不平衡，跨集群帶寬還會波動。如果傻乎乎地把所有 Prefill 都扔到遠端集群，照樣會擁塞、排隊、利用率低下

模型讓跨數據中心傳輸變得"可能"，但要讓它"實用"，還需要系統層面的精心設計

PrfaaS 的核心設計

PrfaaS 的架構相當優雅，核心思想是 **"選擇性卸載"**——只把值得的請求送到遠端。

下圖是 PrfaaS-PD 的部署拓撲：

PrfaaS-PD 架構部署圖

整個系統分為三個子系統：

1. 計算子系統

• PrfaaS 集群：高算力硬件（如 H200），專門處理長上下文 Prefill

• 本地 PD 集群：常規硬件（如 H20），負責短請求的 Prefill + 所有請求的 Decode

2. 網絡子系統

• 集群內部：RDMA 高帶寬互聯

• 集群之間：普通以太網（VPC 對等連接或專線）

3. 存儲子系統：混合前綴緩存池

這個設計很巧妙?；旌献⒁饬δＰ屠镉袃煞N不同的 KVCache：

• 線性注意力層的遞歸狀態：大小固定，只能精確匹配復用

• 全注意力層的 KVCache：隨長度線性增長，支持前綴部分匹配

PrfaaS 把這兩類 KVCache 分組管理，但共享底層的內存池。緩存塊分為兩類：前綴緩存塊（可跨請求復用）和傳輸緩存塊（傳完即丟）。全局 KVCache 管理器維護所有集群的緩存元數據，調度器據此決定請求路由。

關鍵調度策略：雙時間尺度調度

這是論文最硬核的部分。PrfaaS 的調度器分兩個層面運作：

短期調度：帶寬感知 + 緩存感知路由

設一個長度閾值t，請求的增量 Prefill 長度（去掉緩存命中的前綴后）超過t的，發到 PrfaaS 集群；不超過的，留在本地 PD 集群處理。

為什么這樣做？因為短請求的 Prefill 通常是內存瓶頸（不是計算瓶頸），送到高算力集群反而浪費；而且短請求的 KV 吞吐量相對更高，會更快吃滿跨集群帶寬。

調度器還會實時監控 PrfaaS 集群的出口鏈路利用率和隊列深度：

• 帶寬緊張時：各集群的前綴緩存獨立評估，盡量減少跨集群傳輸

• 帶寬充裕時：全局最優緩存匹配，甚至允許跨集群緩存遷移

長期調度：流量驅動的資源再分配

本地 PD 集群內的 Prefill/Decode 實例比例可以動態調整。當流量模式變化時，調度器會重新計算最優的Np/Nd比例和路由閾值t。

實驗結果：54% 吞吐量提升

論文用內部一個 1T 參數的混合架構模型（基于 Kimi Linear 架構，3:1 KDA:MLA 層比例）做了案例研究。

硬件配置：

• PrfaaS 集群：32 個 H200 GPU（高算力，專跑長上下文 Prefill）

• 本地 PD 集群：64 個 H20 GPU（常規 PD 模式，800 Gbps RDMA）

• 跨集群帶寬：約 100 Gbps VPC 網絡

• 對比基線：96 個 H20 GPU 的同構 PD 集群

工作負載：

• 輸入長度：截斷對數正態分布，均值約 27K tokens，范圍 128~128K

• 輸出長度：固定 1024 tokens

• SLO：40 tokens/s

下圖展示了最優參數搜索過程——找到最佳的 Prefill/Decode 分配比和路由閾值：

參數搜索過程路由閾值搜索

最優配置：

• 路由閾值 t = 19.4K tokens

• 本地 PD 集群：3 個 Prefill 實例 + 5 個 Decode 實例

• 約 50% 的請求（長請求）被卸載到 PrfaaS 集群

核心結果：

指標

PrfaaS-PD

同構 PD

樸素異構 PD

吞吐量提升

基準

低 54%

低 32%

P90 TTFT

基準

高 64%

跨集群帶寬消耗

13 Gbps

不適用

更高

最讓我驚艷的數字：PrfaaS 集群的平均出口帶寬僅 13 Gbps，只占 100 Gbps 以太網鏈路的 13%。這說明混合注意力模型的 KVCache 跨數據中心傳輸不僅可行，而且還有巨大的余量！

而樸素異構方案（不做選擇性卸載，所有 Prefill 都扔到 H200）只提升了 16% 吞吐量，被 PrfaaS-PD 的 54% 遠遠甩在身后。這充分說明了調度策略的重要性——光有異構硬件不夠，得有聰明的調度。

對未來的影響

這篇論文背后的信號非常明確：

1. 模型架構正在重塑推理系統設計

Kimi Linear、Qwen3.5、MiMo-V2-Flash、Ring-2.5-1T……新一代模型幾乎都在走混合注意力路線。KVCache 的急劇縮小，讓跨數據中心推理從"不可能"變成了"值得優化"。

2. 硬件專用化趨勢加速

NVIDIA 的 Rubin CPX 專攻 Prefill 吞吐，Groq 的 LPU 專攻 Decode 帶寬，Taalas HC1 主打超高內存帶寬。PrfaaS 架構讓這些異構硬件可以各自獨立部署、獨立擴縮容，不用硬塞進同一個 RDMA 集群。

3. 大規模部署的成本優化空間巨大

論文指出，即使是萬卡級別的部署，PrfaaS 集群的跨數據中心帶寬需求也就在 Tbps 量級，現代數據中心完全能承載。這意味著企業可以在算力便宜的地方部署 Prefill 集群，在離用戶近的地方部署 Decode 集群。

總結

這篇論文的核心洞察其實很簡單：下一代模型的 KVCache 夠小了，小到可以跨數據中心傳輸了。但光"夠小"還不行，還需要選擇性卸載、帶寬感知調度、緩存感知路由這一套系統設計配合。模型架構和系統設計雙管齊下，才能讓跨數據中心的異構推理真正落地。

作為 Mooncake 的延續之作，這篇論文繼續體現了 Moonshot AI 在推理系統領域的深厚積累。而且論文明確提到了跟 vLLM、SGLang 的合作，說明這些想法很可能會逐步落地到開源推理框架中。

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