榨干GPU性能，中兴Mariana（马里亚纳）突破显存壁垒

允中
2025-08-26
13:52:59

来源：量子位

当大语言模型（LLM）走向千行百业，推理效率与显存成本的矛盾日益尖锐。

KV Cache （Key-Value Cache）作为提升生成速度的核心技术，却像一个 “吞存巨兽”—— 每增加一个 token，就需要更多显存存储键（Key）和值（Value）向量，最终成为制约模型规模扩张、并发能力提升的 “紧箍咒”如何高效、经济地扩展KV Cache存储空间，已成为全球AI产研界亟待攻克的高地。

业界探索

Nvidia开源的Dynamo项目，实现存储系统多级缓存算法，热数据在显存、温数据在主机内存、冷数据在 SSD 或远端对象存储，并通过一套统一的索引 + 异步流水线实现自动迁移与透明访问，但是多级存储之间的数据迁移流程复杂，延迟开销难以压缩。

微软推出的LMCahce存储系统，高度兼容vLLM等推理框架，但是对分布式存储支持较低，空间上限低。

阿里巴巴提出一种将KV Cache空间扩展到Tair数据库的远端存储方案，存储空间易扩展，但是读写性能难以满足LLM推理业务的低延迟需求。

CXL（Compute Express Link） 作为一种新兴的高速互联技术，以其高带宽、低延迟和硬件级缓存一致性的特性，为破解内存瓶颈带来了新的希望，可以解决AI和高性能计算中遇到的内存瓶颈问题。

业界关于CXL存储加速LLM推理的研究仍然较少，探索如何利用CXL等新型介质扩展KV Cache空间，进而将成熟的软件栈迁移到CXL硬件场景，是一项非常有意义的工作。

中兴通讯Mariana探索

中兴通讯公司和华东师范大学的研究团队联合提出了一种名为Mariana（马里亚纳）的分布式共享KV存储技术，该工作《Mariana: Exploring Native SkipList Index Design for Disaggregated Memory》论文发表在IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems (TPDS) 。

Mariana作为一个面向计算-内存分离架构的高性能分布式KV索引，可以完美适配大模型推理场景的GPU、KV Cache存储，通过把节点锁细化到条目级、用自适应分裂/合并抑制热点写放大，并以SIMD友好的数据布局和轻量级热点缓存，实现比现有方案高 1.7 倍吞吐、尾延迟降低 23% 的纯有序索引。

Mariana解决了“如何在高并发、热点倾斜、延迟敏感的高性能计算场景，让KV索引同时做到高吞吐、低延迟、可扩展？”的问题，为KV Cache存储提供新的优化方案。

Mariana提出三项关键创新，分别针对上述三个问题：

1. 细粒度并发控制方案（MSCS – Multi-Slot lock-based Concurrency Scheme）

将并发控制的粒度从节点级下降到条目级。在每个叶子节点内预留多个槽位Slots和对应的闩锁Latch，写入操作时，客户端通过RDMA_CAS竞争一个空闲槽位的闩锁，而不是竞争整个节点的锁，实现同一个节点的不同槽位并发写入，极大地减少了竞争。叶子节点支持动态调整叶子数据范围、自动扩缩，将热点区域隔离以减少后续该节点上的竞争，显著降低了写密集型和高偏斜（skewed）工作负载下的争用，提高吞吐量同时降低了尾延迟。

2. 为叶子节点定制的数据布局（TLN – Tailored Leaf Node）

采用分离式存储，Key在内存中连续存放，value则与校验和在另一内存块连续存储；连续键数组可一次性加载至SIMD寄存器，大幅提升查找速度；优化读写操作序列，避免多次RDMA读写指令。

3. 自适应缓存策略

提出一种能够快速感知并缓存变化热点的轻量级缓存机制。使用Count-Min Sketch算法及时识别出热点数据，维护一个按热度排序的链表。计算节点缓存热点L1节点的最小键及存储地址，大幅降低热点数据加载延迟，提升存储系统的读性能。

实验结果表明，Mariana与目前最新的分布式KV存储系统相比，在读写吞吐、延迟性能方向都有显著的提示。KV Cache属于读多写少场景，Mariana能够解决目前存储方案中的性能瓶颈。

应用验证

MARIANA的创新设计与大模型KV Cache需求高度契合：

• 大容量存储：Mariana的解耦内存架构，支持将数据分布在远端CPU DRAM甚至PMem/SSD组成的共享内存池内存节点池，理论上存储空间没有上限。
• 高吞吐：Mariana通过硬件加速（SIMD） 和智能缓存（元数据缓存） 两种方式，显著减少了完成一次KV Cache查找所需的计算和网络开销，极大地提升了读吞吐量。
• 低延迟读：Mariana的整个数据路径（本地缓存->RDMA->SIMD搜索）都是为低延迟而优化的。其延迟远低于需要经过远端CPU协议栈的解决方案，能够满足推理流水线的严格延迟要求。

• 水平扩展：Mariana通过去中心化的细粒度并发控制实现了良好的水平扩展能力，非常适合作为大规模分布式推理集群的存储基础。

基于vLLM框架搭建大模型推理应用，验证关闭KV Cache、开启显存KV Cache、开启Mariana多级存储几个场景的推理性能，配置足够多的并发测试请求，GPU显存空间有限，只能存放50%的KV数据。

测试结果显示，基于Mariana扩展的多级KV Cache存储能够显著提升大模型的推理过程预加载阶段的性能。

拥抱CXL新生态

Mariana的强大之处在于其设计理念与底层硬件解耦。其核心算法无需重新设计，即可从RDMA网络平滑迁移至未来的CXL硬件生态。仅需将远程访问API替换为CXL.mem操作，便能充分利用CXL的低延迟和一致性优势，成为构建下一代大模型推理基础设施的坚实基石。

从优化细粒度并发控制到适配CXL新生态，Mariana的突破不仅是一次技术创新，更重新定义了大模型推理的存储逻辑——当显存不再是不可逾越的壁垒，当分布式存储能在高吞吐与低延迟间找到完美平衡点，大模型的规模化应用将迎来真正的普惠时代。

或许在不久的将来，随着CXL技术的成熟与Mariana这样的技术方案的落地，我们会看到百亿/千亿参数模型在普通硬件上高效运行，让 AI 的算力红利真正渗透到每一个需要它的场景中。

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