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大模型时代的AI Infra内容浅析与趋势思考

发布日期：2025-08-02 12:13:14 浏览次数： 2079

作者：明思AI

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当前，AI正以前所未有的速度发展，特别是以ChatGPT为代表的大语言模型的能力边界不断拓展。支撑这些突破的，是一套庞大而复杂的软硬件底层技术体系，也就是AI 基础设施（AI Infra）。

AI Infra是连接底层算力硬件与上层AI应用的桥梁，它承载着海量数据的高效流动与管理，以及复杂算法的开发、训练、部署与优化。AI Infra旨在解决大模型时代“算力瓶颈、数据孤岛、开发效率、模型落地”等一系列核心挑战。

全球AI Infra市场正经历显著增长。2023年，全球AI Infra市场规模为365.9亿美元，预计到2032年将达到3561.4亿美元，复合年增长率（CAGR）为29.1%。IDC预测，到2028年，全球AI Infra支出将超过2000亿美元。

如此规模的AI Infra市场是由复杂而自成体系的技术内容支撑起来的。为了更好地理解AI Infra的内在逻辑与构成，本文将其解构为以下三个核心层次。这些层次并非完全独立，而是紧密协作、层层递进，共同构建起支撑AI大模型从训练、测试到应用的整个生命周期的坚实底座。

以下是AI Infra的典型分层架构示意图：

1. 算力基础设施层 (Compute Infrastructure Layer)

这是AI Infra的最底层，提供AI模型训练和推理所需的物理硬件资源，核心是高性能计算集群。该层涉及到的技术构成主要有：

●GPU/TPU等AI芯片：大模型的高参数量和高计算复杂度促使硬件架构，从CPU转向以GPU和TPU为核心。这些处理器经过专门优化，能够高速处理并行计算，这对于训练大型语言模型至关重要。大多数组织不直接拥有这些芯片，而是从主要云提供商那里租用其使用时间，通常以专用AI计算实例的形式。

●服务器集群与高速互联：单卡GPU难以满足超大规模模型的存储与计算需求，因此AI Infra普遍采用多GPU组成的服务器集群。高速互联技术（如NVLink和InfiniBand）是解决多卡/多节点通信瓶颈的关键，确保数据在不同GPU和节点之间高效传输。

●本地与分布式存储：高性能NVMe SSD提供模型参数和中间激活值的快速读写能力。并行文件系统（如Lustre、BeeGFS）或对象存储（如S3兼容存储）则为大规模数据集和模型检查点提供高吞吐、可扩展的存储解决方案。

●数据中心环境：电源和冷却是AI部署的持续限制因素，尤其随着AI模型规模的增长。数据中心必须在性能、能源效率、正常运行时间和物理空间之间取得平衡。

2. 统一资源管理与调度层 (Unified Resource Management & Scheduling Layer)

这一层负责整个AI Infra资源的统一纳管与高效调度，确保GPU、CPU、存储、网络等昂贵资源得到最大化利用，并为上层平台提供稳定、弹性的运行环境。该层涉及到的技术构成主要有：

●资源虚拟化与隔离：将物理硬件资源抽象为可调度的逻辑单元，通过容器化技术（如Docker）封装训练/推理任务，实现环境一致性与资源隔离。

●智能任务调度：针对AI工作负载的特点（如GPU拓扑感知、高通信需求、长周期训练），提供智能调度策略。例如，Kubernetes通过设备插件暴露GPU资源，并允许定义资源限制和配额，隔离工作负载，并设置作业优先级。同时支持任务的动态抢占和弹性伸缩，当高优先级任务到来时，可以暂停低优先级任务并释放资源；当负载变化时，自动调整资源分配，提高集群利用率。

●集群管理与监控：提供对整个AI集群或者数据中心（GPU、CPU、存储、网络等）的实时监控和统一视图，方便管理员进行资源规划、故障排查和性能分析。具备任务失败重试、节点故障转移、资源自动恢复等能力，确保AI工作负载的持续稳定运行。

这里简单分析下统一资源管理与调度层与算力基础设施层的依赖关系。可以理解，算力基础设施层是统一资源管理与调度层的“原材料提供者”，它提供AI系统工作负载所需的原始物理计算和存储资源，包括GPU、CPU、服务器、网络和数据中心环境。

统一资源管理与调度层是这些“原材料”的“管理者”和“分配者”。它在算力基础设施层之上运行，负责将这些原始、分散的硬件资源进行抽象、虚拟化和池化，形成统一的资源池。然后，它通过智能调度算法，根据上层AI工作负载的需求，将这些虚拟化的资源高效、动态地分配给不同的训练或推理任务。

统一资源管理与调度层在功能上完全依赖于算力基础设施层提供的硬件能力。没有算力基础设施层提供的硬件，统一资源管理与调度层将无资源可管理。反之，没有统一资源管理与调度层，算力基础设施层的资源将难以被高效、弹性地利用，无法满足AI工作负载的动态需求。统一资源管理与调度层通过其编排和调度能力，确保算力基础设施层的昂贵资源得到最大化利用，并为上层平台提供稳定、弹性的运行环境。

3. 数据与AI中台层 (Data & AI Middleware Layer)

这一层是AI Infra中的关键枢纽，它不仅负责海量数据的生命周期管理，更提供了支撑AI模型开发、训练、部署所需的公共能力和工具集，是企业实现AI能力复用、降本增效的核心。

3.1 数据中台：数据管理与治理

AI模型的表现高度依赖于数据的质量和规模，数据中台正是为AI提供高质量数据的关键。在AI Infra体系中，数据中台的主要功能包括：

●数据采集与集成：构建统一的数据接入层，支持从各类数据源实时或批量采集数据，并通过ETL/ELT工具进行清洗、转换和加载。

●数据存储与湖仓一体：采用数据湖存储原始的、多样化的海量数据，结合数据仓库进行结构化管理和分析。湖仓一体架构融合两者的优势，实现数据的高效存储、查询和管理，为AI模型提供统一的数据视图。

●数据治理平台：提供数据目录、元数据管理、数据质量管理、数据安全与隐私保护（如数据脱敏、加密）、数据血缘追踪等功能。高质量的数据治理是确保模型训练数据可靠性和合规性的关键。

●数据标注平台：为AI模型训练提供高质量、大规模的标注数据。数据标注平台提供可视化的标注工具、标注任务管理、质量控制和团队协作功能，提升数据准备效率。

●向量数据库 (Vector Database)：专为处理非结构化数据（文本、图像、音频）的向量嵌入而设计。随着大模型和RAG（检索增强生成）应用的兴起，向量数据库变得至关重要，它能高效存储和检索高维向量。

3.2 AI中台：AI全生命周期工具箱

AI中台在数据中台之上，为AI全生命周期提供公共、可复用的能力，加速AI从实验室走向生产。在AI Infra体系中，AI中台的主要功能包括：

●模型开发与训练：一方面针对机器学习、深度学习等经典ML模型，集成主流框架（Sklearn/TensorFlow）；另一方面针对大模型，提供Megatron-LM、DeepSpeed等分布式训练框架，满足大模型训练时需要的高效并行与显存优化、混合精度等需求。此外在模型微调层面，大模型AI中台需要集成 LoRA、Prefix-Tuning等高效微调工具，支持领域数据注入与定制化训练。

●模型资产管理：统一的模型注册与版本管理系统，存储模型的元数据、代码、依赖、性能指标等，方便模型的发现、复用和审计。

●模型评估与测试：提供自动化或半自动化的模型评估工具，除了支持经典ML模型涉及的准确率、召回率等性能评估外，在大模型评估中需要开展困惑度（Perplexity）、领域任务适配度等多指标、多场景的模型测试，确保大模型满足业务需求和性能标准。

●可解释AI (XAI) 工具：帮助理解模型决策过程，提升模型的可信度和透明度，比如基于特征重要性分析、注意力权重解析等工具，降低AI黑箱决策风险。

●模型部署与推理优化：在大模型部署层面，提供INT4/INT8精度量化、剪枝、动态批处理等推理优化，支持公有云 API、私有化部署、边缘节点等多场景部署，并实现算力弹性调度。同时面向推理优化的高并发、低延迟的严峻挑战，提供KV Cache优化、流式响应等技术，旨在降低模型推理的延迟。

这里同样分析下数据与AI中台层，与统一资源管理与调度层的依赖关系。数据与 AI 中台层通过抽象 AI 全流程的业务能力，定义了 “做什么”，比如训练一个千亿参数模型、清洗 PB 级数据等任务场景。统一资源管理与调度层则通过资源的池化与调度，解决了如何通过聚合算力等高效支撑的问题。

具体来说，数据与 AI 中台层的所有核心功能（从数据处理到模型训练、推理）均需底层资源的动态支撑。

在数据中台层面，数据采集与集成的 ETL/ELT 任务、数据湖仓的海量存储与计算（如 Spark 分布式处理）、向量数据库的高维向量检索（需 GPU 加速）等，都依赖资源调度层提供的计算（CPU/GPU）、存储（分布式文件系统）和网络（高带宽互联）资源池化能力，确保大规模数据处理的效率。

在AI 中台层面，模型训练，尤其是大模型的分布式训练，需要资源调度层快速聚合千卡/万卡级GPU 算力。此外在模型推理的动态批处理、弹性部署等场景，也依赖资源调度层根据请求量实时扩容/缩容算力资源；甚至数据标注的并行化任务分配，也需要调度层对 CPU 资源的精细化分配。

此外，统一资源管理与调度层并非被动提供资源，而是通过感知数据与 AI 中台层的任务特性实现精准地供给。统一资源管理与调度层需识别上层任务的资源类型需求，比如训练任务需 GPU，数据清洗任务需 CPU + 内存、核心业务模型的推理任务优先于非核心模型的微调任务等，并通过调度算法实现资源的最优分配。

例如，当 AI 中台启动大模型训练任务时，资源调度层需自动识别其“多机多卡、高带宽互联”的特性，将物理机按拓扑分组（如 GPU 服务器 racks 内的 NVLink 互联），避免跨机架网络延迟影响训练效率；而当推理任务出现流量峰值时，调度层需快速从资源池调用闲置算力，支撑 AI 中台的弹性推理服务。

这里简单介绍下技术对接的关键逻辑。统一资源管理与调度层通过虚拟化（如 Kubernetes 的容器化）和池化技术，将底层异构硬件（CPU、GPU、存储介质）抽象为标准化资源接口（如 Pod、Job、Service），而数据与 AI 中台层则通过这些接口调用资源。例如，AI 中台的模型训练任务可通过定义“GPU 数量、内存容量、分布式训练框架类型”等参数，生成标准化资源请求，由调度层解析并匹配最优资源。同时资源调度层通过感知AI中台传递的训练进度（如DeepSpeed 的 ZeRO 阶段），动态调整内存分配策略，优化显存利用率。数据中台的湖仓一体架构则通过调用调度层的分布式存储接口（如HDFS/S3兼容接口），实现数据在池化存储资源中的无缝流转，无需关心底层是本地 SSD 还是对象存储集群。

最后再浅析下AI Infra的发展趋势。

尽管AI技术发展迅速，但其大规模部署和广泛应用仍面临若干显著瓶颈和限制。比如，电源和冷却仍然是AI部署的持续限制因素，尤其随着模型规模的增长，能源项目存在长期积压，需要更多电力来支持所有新的数据中心。下一代Nvidia芯片将需要液体冷却，而目前液体冷却供应链存在短缺；柴油发电机也有两年的等待期。

此外AI落地的模式正在经历快速创新，一些新兴技术有望对现有的技术内容产生深远影响。比如Agentic AI，代表了AI发展的下一个前沿，目标是使系统能够独立地、有目的地做出决策。比如边缘计算，随着物联网（IoT）的持续扩展变得至关重要，通过在数据生成地附近处理数据，组织可以减少延迟和带宽使用，从而实现更快的决策。AI模型将越来越多地在边缘设备上运行，实现实时分析和洞察，并通过将敏感数据保留在本地设备而非传输到云端来增强数据隐私和安全性。

面对AI技术的快速发展和新兴趋势，未来的AI Infra需要进一步演进，以适应新的计算范式和应用需求，包括但不限于以下的演进方向：

●边缘AI与混合部署的深化：随着物联网和实时决策的需求增长，将AI模型部署到边缘设备的需求将进一步增加。未来的AI Infra应更强调边缘计算能力，并支持云-边协同的混合部署模式，以优化延迟、带宽和隐私。

●Agentic AI的支持：Agentic AI的兴起将推动对更复杂的任务编排、多代理协作和自主决策支持的需求。统一资源管理与调度层以及数据与AI中台层需要发展出更强大的能力来管理和协调这些高度自主的AI实体。

●可持续性和绿色计算的优先化：鉴于AI对能源的巨大需求，未来的算力基础设施层必须将可持续性作为核心设计原则。这包括投资于可再生能源、开发更高效的冷却技术，以及探索能耗更低的芯片设计。

●跨行业协作与标准化：AI生态系统的复杂性要求更强的跨行业协作和标准化。推动开放标准、共享最佳实践以及建立互操作性框架，将有助于加速AI Infra的创新和负责任的部署。

通过对这些趋势的关注和持续的技术演进，组织将能够构建更具韧性、更高效且更负责任的AI Infra，从而在不断变化的AI时代中保持竞争优势并实现可持续发展。

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