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刚刚,DeepSeek开源最新推理框架:单集群日吞吐155万亿Token,KVCache可保存7天

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作者 | 褚杏娟

10 月 20 日,DeepSeek 宣布正式开源大规模云服务推理框架 DeepInfer。该框架已经用于 DeepSeek V4.1 Flash 的大规模线上推理服务。

据介绍,DeepInfer 集成了高性能算子和深度优化的推理引擎,支持分布式推理、推测解码、SWA Bounded Replay、结构化输出等能力,并能够运行在 NVIDIA 与华为昇腾平台上。按照 DeepSeek 公布的数据,目前基于这套系统运行的单一集群服务吞吐已经达到每天 155 万亿 Token,按谷价计算,整体收入达到每卡每小时 38 美元。

DeepSeek 同时开源了生产级 Token 编解码组件 deepseek-recipe,用于在主流大模型 API 协议和模型 Token 之间进行高效、准确转换,其处理逻辑与 DeepSeek 官方 API 完整对齐,从而使第三方部署能够尽可能获得与官方服务一致的 API 体验。

开源仓库:

DeepInfer:https://github.com/deepseek-ai/DeepInfer

deepseek-recipe:https://github.com/deepseek-ai/deepseek-recipe

不过,这并不是 DeepSeek 全部线上推理基础设施的完整开放版本。DeepSeek 明确表示,KVCache 管理与负载均衡组件因为与内部基础设施耦合较深,相关代码目前尚未完整开源。此次披露的重点,是 V4.1 Flash 推理系统的整体架构和关键实现方式,以及这些组件在真实大规模在线服务中的设计逻辑。


DeepSeek-V4.1-Flash 线上系统的实际统计数据

普通8卡机器做Prefill,64-128卡超节点做Decode

DeepSeek 介绍,V4.1 Flash 推理系统在设计之初确定了三个核心目标:兼容不同厂商计算芯片;围绕常见硬件组织 Prefill 与 Decode;以及让 KVCache 能够保留 72 小时以上,从而减少重复计算。


在具体部署中,DeepSeek 使用常见的 8 卡服务器承担 Prefill,并使用 64-128 卡超节点承担 Decode。两者不再被视为同一种计算负载,而是分别按照不同特点设计计算、通信和调度策略。

这一架构延续了 DeepSeek-V3、R1 时代的部分设计,但进一步将视觉编码器、Prefill 与 Decode 分离部署,使三个阶段能够独立分配资源,并分别优化首 Token 延迟(TTFT)和 Token 间延迟(TBT)。在混合专家模型(MoE)部分,Prefill 通常采用 2-8 路专家并行和数据并行,而 Decode 则扩大至 64-128 路 Wide-EP,以通过更大的批处理规模提高 GPU 矩阵计算效率。

其中一个非常明显的变化,是推理系统优化越来越多地围绕整个集群如何减少空转进行。

PD 分离后,两类资源需求比例会随着线上流量实时变化。如果提前设定固定比例,就会在部分时段产生排队,而另一类机器则出现空转。因此,DeepSeek 在集群层加入自动扩缩容机制:Prefill 侧根据未命中 Token 数判断需要多少实例,Decode 侧根据当前实际计算请求数估算需求,扩缩容过程设有上下界和调整速率限制。

对于大 EP 部署中长尾请求导致的资源浪费,Decode 实例收到下线通知以后不会立刻退出,而是进入 1 分钟宽限期。宽限期结束后,如果仍然存在尚未完成的请求,系统会把对应请求和它们的 KVCache 一次性转发给其他实例继续进行 Decode。部署时还会额外保留冗余配额。一部分机器处于 Ready 状态但暂未分配,用作突发扩容库存;与此同时,在线实例数量始终会比理论需求更多。当配额占用率高于 0.8 时,系统直接禁止缩容。

容错方面,DeepSeek 并没有试图把实例重启时间压到极短。实际错误重启仍然是分钟量级,整体容错依赖“冗余配额 + 请求级重新路由”的组合。

大规模 EP 部署下,一个实例中的所有 GPU 构成一个通信域,只要其中任何一张卡发生故障,整个实例都可能无法继续工作。重新启动时,为了继续利用其他健康 GPU,平台会重新统计可用卡数量,并按照实际获得的健康 GPU 数重新确定 EP Size。

数据并行、专家并行、Prefill、Decode 和视觉编码都需要不同的负载均衡器,DeepSeek 因此分别开发了 Prefill Load Balancer、Decode Load Balancer、Vision Encoder Load Balancer 和 Expert-Parallel Load Balancer。

例如,Prefill 会根据输入长度分成小于 16K、16K-64K、64K-256K 以及超过 256K 四档,并根据实际计算负载动态分配引擎数量;Decode 则同时观察请求数量和 KVCache 总长度,将长短请求分配至不同卡上,以降低部分设备等待造成的吞吐损失。

专家并行同样采用动态调整。每张卡除常驻专家外,还会部署额外冗余专家作为热门专家副本,并根据最近一段时间内不同专家的实际负载重新分配。DeepSeek 公布的线上数据显示,Prefill 场景下不同计算卡之间的负载差距已经被压缩至较低水平。



100 PiB SSD专门存KVCache,最长保留7天

DeepInfer 中另一个占据大量篇幅的部分,是 KVCache。

随着上下文越来越长,同时 Agent 持续携带历史信息和工具调用记录,重复 Prefill 的成本开始快速上升。为此,DeepSeek 把 KVCache 从普通显存缓存进一步做成了集群级共享数据层。

DeepSeek 将 KVCache 存储划分为 Block KVCache 和 State KVCache。Block KVCache 以 128 个 Token 为一个 Block 分页管理,并将持久数据写入独立的 3FS 集群。与此同时,系统单独维护 SWA KVCache,前 20 层各有一个 134 Token 的 Ring,其中窗口长度 128 Token,另预留 6 Token 用于投机回退。运行中的 Block KVCache 和 State KVCache 位于推理卡显存,SWA KVCache 则保存在产生它的 Prefill/Decode 机器内存中,不进入 3FS 持久存储。

运行中的 Block KVCache 和 State KVCache 保存在推理卡显存中,由 Prefill/Decode 实例负责管理;SWA KVCache 保存在产生对应数据的 Prefill 或 Decode 机器内存中,不写入 3FS,只保留单副本,如果跨机器命中则通过 400G VLAN 拉取;分页 Block KVCache 则存放在独立 3FS 存储集群,由 3FS 自身负责数据冗余,kvcache-store 负责管理。

DeepSeek 没有采用常见的多级缓存,而是将持久 Block KVCache 直接放入独立存储集群。这样,所有 Prefill 机器都能够命中任何前缀,不必采用前缀亲和路由,也避免缓存路由和负载均衡之间发生冲突。同时,存储节点和计算节点能够分别扩缩容,计算节点故障也不会导致持久 KVCache 丢失。DeepSeek 提到,计算节点的故障率比存储节点高出数量级,因此将缓存独立出来也能够提升整体稳定性。

3FS 目前为 KVCache 提供约 100 PiB SSD 容量。Agent 流量对应 KVCache 的生存时间(Time-To-Live,TTL)达到 3 天,Chatbot 流量则达到 7 天。后者存在更加明显的长尾命中特征:少量 KVCache 可能会被非常频繁地反复读取,一旦过早删除,对整体命中率影响更大。按照 DeepSeek 经验,如果 Chatbot KVCache TTL 缩短到 3 天左右,整体命中率会下降 0.5%-1%。

带宽方面,3FS 针对约 112 KiB 粒度的 KVCache Block 随机读写进行了专门优化,峰值聚合读取带宽达到 10 TiB/s,峰值聚合写入带宽约 850 GiB/s。

DeepSeek 还进一步拆解了 KVCache 命中路径。

Block KVCache 由 Decode 实例负责落盘,因此无论数据来自 Prefill 还是 Decode,都可以继续被其他请求复用。整个命中流程分为 3 段,其中只有第一段真正位于请求关键路径上:

第一步是匹配。Entrypoint 会在本机 CHECK 角色的 kvcache-store 中通过哈希链进行前缀匹配。这一步只查元数据,但因为命中长度必须在路由之前获得,所以无法被其他计算掩盖;

第二步是取 KV。系统在独立进程中异步将 KVCache 从 3FS 搬入宿主机共享内存;

第三步是换入。Engine 进程中的线程再把数据从共享内存搬到 HBM。系统目标是让逐层 Host-to-Device(H2D)传输和前向计算重叠。由于 CUDA Copy Engine 对细粒度 KVCache Block 复制性能不理想,DeepSeek 改用 GDR,使 RDMA 网卡能够跑满 PCIe 带宽,同时不占用 SM。

在 KVCache 管理上,DeepSeek V4.1 Flash 还改变了 V4 时期的一项设计。

此前的系统会将滑动窗口注意力(SWA)对应的 KVCache 写入持久化存储,以便在需要时精确恢复。但实际运行后,DeepSeek 发现,这类缓存通常只会在单次活跃会话的几分钟内被反复使用,与能够跨数天重复命中的 Block KVCache 完全不同。如果仍用大量 SSD 长期保存这些分钟级数据,会占据接近一半的持久缓存容量,却无法获得对应的命中收益。

因此,V4.1 采用了 SWA Bounded Replay:不再将 SWA KVCache 长期写入 SSD,而是在缺失时仅重新计算最近 128 个 Token,并把重算范围限制在固定窗口中。这样,重算成本不再随完整上下文长度和模型层数持续增加,而变成近似固定开销。

DeepSeek 称,在 Decoder 部分采用这一方法后,每次 Prefill 只需要重新计算 Prompt 尾部 128 个 Token,相比此前逐层精确重建大量状态,总 Prefill 计算量接近减半。

推测解码继续提速:不再固定验证5个Token

DeepInfer 同时集成了 DeepSeek 的推测解码框架 DSpark。

传统推测解码通常一次生成固定数量的候选 Token,再统一交给主模型验证。但问题在于,不同位置上的候选 Token 被接受的概率并不相同,如果固定验证 5 个 Token,就可能把大量算力浪费在本来很难被接受的位置上。

DSpark 加入置信度预测,根据每个候选 Token 的预计接受率动态决定需要验证多少个 Token。在实际线上部署中,系统仍然一次生成 5 个候选 Token,但会根据硬件吞吐曲线和预计接受率,选择预期收益最高的一部分进行验证。

DeepSeek 给出的结果显示,相比固定验证 5 个 Token,变长验证在真实线上部署中的吞吐提高了 6%。

此外,Decode 调度也采用 GPU 与 CPU 异步流水。传统流程中,CPU 进行下一轮调度时 GPU 可能处于等待状态;DeepInfer 则让 GPU 执行当前轮前向计算和采样时,CPU 提前完成下一轮调度,使计算和调度尽可能重叠,减少 GPU 空转。

把API到Token这一层也开源

除了核心推理引擎,DeepSeek 此次还开源了一个此前较少受到关注的生产级组件 deepseek-recipe。

它负责在主流大模型 API 协议与 DeepSeek 模型实际使用的 Token 序列之间进行转换,目前支持 Chat Completions API、Responses API 和 Messages API,并将不同协议统一转换为内部对话格式,再根据模型版本生成对应 Prompt 和 Token 序列。请求转换、Prompt 编码和输出解析主要使用 Rust 实现,同时提供 Python 绑定。

DeepSeek 特别处理了特殊 Token 注入问题。例如用户输入中即使包含 <|User|>、<|image|> 或类似工具调用标签,也不会直接被解释成拥有特殊语义的控制 Token,而会被当作普通文本编码,以避免用户输入中的特殊 Token 字符串被赋予控制语义,从而影响模型推理行为。

在长上下文场景中,DeepSeek 还利用特殊 Token 已知边界,将不同普通文本片段并行 Tokenize,再重新组合,以降低超长输入对 CPU 和首 Token 延迟的影响。

对于流式输出,DeepInfer 则维护了一套跨 Chunk 流式解析状态机。即使一个 UTF-8 字符、工具调用参数或结构标签被拆成多个数据块,也能等待数据完整后再解析,同时尽可能提前返回已经确认的部分,减少工具调用和长参数生成过程中的额外延迟。

更多详细细节,可以查看官方文档:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/2095560295930508953

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