一、前言

最近几年来，随着大模型在自然语言处理、代码生成和知识问答等领域的快速发展，0Day 模型凭借其前沿算法和大规模参数优势，成为开发者进行高性能推理和实验的重要选择。但是像这些模型对算力资源的要求都比较高，以往的GPU在部署这类模型的时候容易出现性能下降，算力不足等问题。昇腾 NPU 提供了强大的 AI 加速能力，其高带宽内存架构和算子优化，为大模型推理提供了理想平台。

我选择了vLLM-Ascend版本的0Day模型来进行实践操作，主要是因为 vLLM-Ascend 支持对 Ascend 硬件进行算子优化，支持 Flash Attention、低 CPU 内存占用加载等特性。同时能够高效加载 7B、13B 等大模型，同时支持多轮交互和长上下文处理。并且在 Python 环境下可与 transformers 等生态工具兼容，便于实验和调试。

vLLM-Ascend源码地址：https://gitcode.com/gh_mirrors/vl/vllm-ascend?source_module=search_result_repo

img

二、环境搭建与依赖管理

在这里的话我们使用ubuntu来进行实际案例的操作。

我们首先的话先来安装CANN的环境，在官网中能够找到相关的参考资料：

img

第一步的话我们需要先验证当前环境是否安装NPU的驱动。

npu-smi info

img

CANN相关内容安装命令：

# 安装Toolkit开发套件包
conda config --add channels https://repo.huaweicloud.com/ascend/repos/conda/ 
conda install ascend::cann-toolkit

# 配置环境变量
source /home/miniconda3/Ascend/ascend-toolkit/set_env.sh

# 安装Kernels算子包
conda install ascend::a2-cann-kernels

一键安装python的第三方库：

pip3 install attrs cython 'numpy>=1.19.2,<=1.24.0' decorator sympy cffi pyyaml pathlib2 psutil protobuf==3.20.0 scipy requests absl-py --user

安装 vLLM-Ascend 和相关依赖：

pip install torch==2.2.0+cpu  
pip install torch_npu==2.2.0

安装 transformers、huggingface-hub：

pip install transformers==4.35.0
pip install huggingface-hub==0.34.0

下载vLLM-Ascend源码：

git clone https://github.com/vllm-project/vllm-ascend.git

这里有一些注意事项是大家需要重点关注的：

torch 与 torch_npu 必须与 CANN 版本匹配。

在虚拟环境中统一安装，避免系统 Python 与全局依赖冲突。

三、模型使用实战

  1. 模型加载

使用 from_pretrained 和 snapshot_download在 Hugging Face Transformers 或者 vLLM/AscendNPU 上，我们可以用两种方式加载模型：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer

# 方法1: 直接从 Hugging Face 加载
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("model_name")
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    "model_name",
    low_cpu_mem_usage=True,  # 避免占用过多 CPU 内存
    device_map="auto"        # 自动映射到 GPU/NPU
)

# 方法2: 先下载 snapshot，再加载
from huggingface_hub import snapshot_download
local_path = snapshot_download("model_name", revision="main")

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(local_path)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(local_path, low_cpu_mem_usage=True)

对于大模型（7B/13B），low_cpu_mem_usage=True 可以显著减少 CPU 内存占用。

device_map="auto" 会自动将模型分配到可用 GPU/NPU 上，避免手动切分显存。

接下来我们用这个代码来实际加载大模型（7B/13B），看一下实际的运行效果如何：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch
from huggingface_hub import snapshot_download

# 模型名称，可以替换为 7B / 13B 的实际仓库名
model_name = "big-model-7B"

# 方法1: 直接从 Hugging Face 加载
print("=== 方法1: 直接加载 ===")
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)

# 加载大模型时推荐使用 low_cpu_mem_usage=True
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_name,
    low_cpu_mem_usage=True,   # 分块加载
    device_map="auto"         # 自动映射到可用 GPU/NPU
)

print("模型加载完成！")
print("模型设备分布：", model.hf_device_map)

# 测试推理
prompt = "Explain Flash Attention in simple terms."
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(model.device)
with torch.no_grad():
    output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=100)
print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

# 方法2: 先下载 snapshot，再加载
print("\n=== 方法2: snapshot 下载并加载 ===")
local_path = snapshot_download(model_name, revision="main")
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(local_path)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(local_path, low_cpu_mem_usage=True, device_map="auto")

print("Snapshot 模型加载完成！")

方法一运行结果：

img

方法二运行结果：

img

方法一是直接从 Hugging Face Hub 加载模型和 tokenizer，方便快捷，支持自动设备映射和分块加载，适合网络环境良好且希望快速上手的场景；方法二则先下载 snapshot 到本地再加载，可以多次离线使用，适合大模型或网络不稳定的环境，同时更容易管理本地缓存和版本控制。

  1. 推理流程示例

在实际应用大语言模型时，推理流程是最核心的环节，这个环节需要将用户输入转化为模型可以理解的格式、执行生成操作，以及获取最终输出。推理不仅包括单轮简单问答，也涵盖多轮对话和长上下文处理。

下面我们展示两种典型的推理案例。

基本推理：

prompt = "Explain Flash Attention in simple terms."
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(model.device)

with torch.no_grad():
    output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=200)

print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

运行结果：

img

多轮交互与长上下文处理：

from transformers import Conversation, ConversationalPipeline

conv_pipeline = ConversationalPipeline(model=model, tokenizer=tokenizer)

conversation = Conversation("Hello, can you summarize Flash Attention?")
conversation = conv_pipeline(conversation)
print(conversation.generated_responses[-1])

# 添加上下文
conversation.add_user_input("Can you also provide a code example?")
conversation = conv_pipeline(conversation)
print(conversation.generated_responses[-1])

运行结果：

img

这里有一个非常值得大家关注的点，那就是长上下文处理时，经常会出现模型显存不足，那么这个时候我们就需要考虑下面这几种方法了：

1.降低 max_new_tokens。

2.使用 float16 / bfloat16。

3.分批次推理或使用 sliding window 技术

  1. KV Cache 加速与连续批处理

在大语言模型推理中，KV Cache（键值缓存）和连续批处理（Continuous Batching）是提升性能的关键技术。它们可以显著提高生成速度、降低延迟，并在多请求场景下提升吞吐量。

接下来写一个使用 KV Cache 进行推理的代码案例：

下面展示在 Hugging Face Transformers 中启用 KV Cache 的方式：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch

model_name = "big-model-7B"

# 加载 tokenizer 和模型
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_name,
    torch_dtype=torch.float16,
    device_map="auto"
)

# 使用 KV Cache 进行推理
prompt = "Explain how KV Cache improves inference speed."
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(model.device)

with torch.no_grad():
    output = model.generate(
        **inputs,
        max_new_tokens=200,
        use_cache=True  # 启用 KV Cache
    )

print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

use_cache=True 会使模型在生成阶段自动构建并复用 KV 缓存，提高生成速度。

img

使用 vLLM 获得连续批处理与高性能 KV Cache：

如果使用 vLLM，则无需手动开启，它内置：

  • 高效 KV Cache 分页机制（PagedAttention）
  • 连续批处理（Continuous Batching）
  • 动态扩展 KV Cache
  • 多请求高效调度
from vllm import LLM, SamplingParams

model_name = "big-model-7B"
params = SamplingParams(max_tokens=200)

# 自动启用 PagedAttention + Continuous Batching
llm = LLM(model=model_name)

prompts = [
    "Explain KV Cache.",
    "What is continuous batching?"
]

outputs = llm.generate(prompts, params)

for out in outputs:
    print(out.outputs[0].text)

img

  1. 精度选择

不同精度的权衡

  • float32
    • 优点：最高精度，适合训练或极端推理需求
    • 缺点：显存占用大，速度慢
  • float16
    • 优点：速度快、显存占用低，适合推理
    • 缺点：部分模型可能出现数值不稳定
  • bfloat16
    • 优点：兼顾速度和数值稳定性
    • 缺点：部分硬件不支持

避免显存溢出和乱码：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch

import torch_npu

# 模型名称
model_name = "model_name"

# 加载 tokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)

# 指定 NPU 设备
device = "npu:0"

# 尝试 bfloat16
try:
    model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
        model_name,
        torch_dtype=torch.bfloat16,
        device_map={"": device}  # 明确指定在 NPU 上
    )
except RuntimeError:
    # 回退到 float16
    model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
        model_name,
        torch_dtype=torch.float16,
        device_map={"": device}
    )

# 准备输入
prompt = "Explain how to choose precision for inference"
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(device)

# 推理生成
output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=150)

# 输出结果
print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

四、性能优化

在部署大模型的时候，性能是一个非常重要的问题，有时候性能甚至比功能重要，大模型对算力，内存这些的要求都非常高，一不小心就容易爆内存，显存，导致卡顿等问题，接下来带大家看看在曻腾中有啥具体的性能优化方法。

  1. 长序列优化

长序列推理时，Attention 计算复杂度高、显存占用大，是推理性能的最大瓶颈之一。

Flash Attention 能通过更高效的 attention kernel 显著降低显存占用，并提升生成速度。

Transformers 启用示例：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("model_name")
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    "model_name",
    torch_dtype=torch.float16,
    device_map="auto"
)

# 使用 xFormers 的 Flash Attention
try:
    import xformers
    model.enable_xformers_memory_efficient_attention()
    print("Flash Attention enabled")
except ImportError:
    print("xFormers not installed")
  1. 混合精度与显存节约

模型精度直接影响显存占用与推理性能。大多数推理任务使用 float16 或 bfloat16 就可以了。

精度对比：

精度 优点 缺点
float32 精度最高 显存占用大、速度慢
float16 推理速度快、显存占用低 数值稳定性较差
bfloat16 速度快，数值稳定性高 部分 GPU/NPU 不支持

我们从这个表格中也能得知精度越高的话，占用的显存肯定也是越多的，速度也会相对应的下降。在实际推理过程中根据实际的需求来进行选择即可。

我们在实际开发中可以采用自动选择精度策略：

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("model_name")

try:
    model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
        "model_name",
        torch_dtype=torch.bfloat16,
        device_map="auto"
    )
except RuntimeError:
    model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
        "model_name",
        torch_dtype=torch.float16,
        device_map="auto"
    )

通过这种方式可以既保证性能又保证不会出现溢出的情况。

  1. 批次推理策略

在进行推理的时候batch size假如设置的比较大会直接影响吞吐量和显存峰值过大，导致整个推理过程出现缓慢的情况。

一般情况下可以使用如下方法解决：

  • 小 batch，低延迟但吞吐量低
  • 大 batch，吞吐量高但显存占用大
  • 动态 batch（vLLM）最佳：自动组合多请求

Transformers 推理中的 batch 示例：

prompts = [
    "Explain KV Cache.",
    "What is batching in LLM inference?"
]

inputs = tokenizer(prompts, return_tensors="pt", padding=True).to(model.device)
output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=200)

vLLM 自动实现连续批处理：

from vllm import LLM, SamplingParams

llm = LLM(model="big-model-7B")
params = SamplingParams(max_tokens=200)

outputs = llm.generate(
    ["Explain KV Cache.", "Explain batching."],
    params
)

接下来我们来看一下Transformers 手动 batch 与 vLLM 自动 batch 的对比：

import time
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch
from vllm import LLM, SamplingParams

# 模型名称
model_name = "big-model-7B"

# ===============================
# 1. Transformers 手动 batch 示例
# ===============================
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_name,
    torch_dtype=torch.float16,
    device_map="auto"
)

prompts = [
    "Explain KV Cache.",
    "What is batching in LLM inference?",
    "How does attention work in transformers?",
]

# 编码 batch
inputs = tokenizer(prompts, return_tensors="pt", padding=True).to(model.device)

# 测量生成时间
start = time.time()
with torch.no_grad():
    output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=100)
end = time.time()

print("=== Transformers 手动 batch ===")
for i, prompt in enumerate(prompts):
    print(f"Prompt: {prompt}")
    print(f"Output: {tokenizer.decode(output[i], skip_special_tokens=True)}\n")
print(f"Total time: {end - start:.2f} s\n")

# ===============================
# 2. vLLM 自动 batch 示例
# ===============================
llm = LLM(model=model_name)
params = SamplingParams(max_tokens=100)

# 测量生成时间
start = time.time()
outputs = llm.generate(prompts, params)
end = time.time()

print("=== vLLM 自动 batch ===")
for i, out in enumerate(outputs):
    print(f"Prompt: {prompts[i]}")
    print(f"Output: {out.outputs[0].text}\n")
print(f"Total time: {end - start:.2f} s")

img

从结果来看，相较于纯 Transformers 的手动批次处理方式，vLLM 的自动批次策略在多请求和长上下文场景下，不仅能显著提升 LLM 推理的吞吐量，还能有效降低显存占用，这两大优势是纯 Transformers 方案难以同时实现的。

五、总结

本文主要介绍了使用 vLLM-Ascend 在昇腾 NPU 上进行大模型推理的实战经验：

  • 环境与依赖：正确安装 CANN、torch/torch_npu 和 vLLM-Ascend，确保硬件驱动与软件版本匹配。
  • 模型加载：支持直接加载或 snapshot 离线加载，low_cpu_mem_usage=True 与 device_map="auto" 可节省显存。
  • 推理技巧：单轮、多轮对话均可处理，KV Cache 和 vLLM 的连续批处理显著提升速度与吞吐量。
  • 性能优化：长序列使用 Flash Attention，混合精度 float16/bfloat16 节省显存，动态批次调节吞吐量。

整体来看，vLLM-Ascend 提供了高效、灵活且可扩展的解决方案，适合大模型在 Ascend NPU 上的实际部署与推理。

免责声明

本文内容旨在向社区开发者分享 在昇腾 NPU 上使用 vLLM-Ascend 进行大模型推理的实践方法和性能测评经验。所有示例和参数设置均基于作者实际实验环境，仅供参考。

开发者可在此基础上进行 二次开发、优化和测试，以适应自身项目需求。本文不构成官方指导或商业建议，也不对在其他环境下的结果作任何保证。欢迎社区开发者 基于本文内容进行交流、讨论和改进，共同推动大模型在国产硬件平台上的应用与发展。

参考资料：

CANN官网：https://www.hiascend.com/cann

vLLM源码仓库：https://gitcode.com/gh_mirrors/vl/vllm-ascend

# 性能优化
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