深入理解 AI Infra：量化分析与系统设计
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《深入理解 AI Infra》是 GitHub 上获得 50k+ Star 的《深入理解 AI Agent：设计原理与工程实践》的姊妹篇。
写完《深入理解 AI Agent》后，在与读者交流的过程中，我越来越感到：要开发好基于模型的应用，还需要理解它赖以运行的基础设施。大多数软件工程师不必亲自开发操作系统、编译器和芯片，却仍要学习操作系统、编译原理和计算机体系结构，因为申请内存、读取文件、调用函数，背后都有资源与时间代价。基于模型开发应用也是如此。延迟相差几倍，产品体验就可能完全不同；成本相差一个数量级，能够支撑的商业模式也随之改变。
更深层的变化是编程抽象的上移：从操作系统到模型上下文。传统的操作系统、编译器和硬件要为事先未知的各种程序提供通用能力，系统优化总要在可编程性与性能之间取舍。如今 LLM 成了最重要的应用，从算子执行到分布式调度，都可以针对特定的模型和加速器架构优化；模型设计也开始反过来适应硬件，DeepSeek V4/V4.1 重新设计长上下文的表示方式，就是一例。从某种意义上说，模型成了 LLM 时代的操作系统，AI Infra 成了 LLM 时代的计算机体系结构。《计算机体系结构：量化研究方法》是我在体系结构领域的入门书，而 AI Infra 领域还缺少一本从硬件约束和模型架构出发、量化推导系统设计的书，这是我写作本书的动机。
贯穿全书的方法是从约束推导设计：先明确任务与质量要求，列出计算、存储、通信和依赖关系，对照硬件的容量、带宽和算力做数量级估算。这类估算人容易出错，AI 也一样：只算权重读取而忘了 KV 缓存，按峰值算力推算速度而不查带宽能否供给，把工作平分给多张卡却遗漏卡间通信，漏掉任何一项，结论都可能偏离几倍甚至几个数量级。估算还有另一层用意：读博时导师张霖涛博士反复叮嘱，优化一定要做到物理所允许的极限。本书贯彻这一习惯，先按第一性原理算出硬件允许的上限，再看实测离上限还有多远；差距不是模型漏了项，就是系统有可以去掉的开销。从 FPGA 加速 Bing 搜索排序、昇腾 AKG 算子生成到 UB 万卡互联，我反复遇到的是同一条线索：数据搬移。本书因此反复追问五个问题：搬什么、搬多少、搬几次、经过哪里、谁必须等它。 更多写作背景见前言。
目前书稿仍是初稿，正在持续修订。
内容目录
| 章 |
主题 |
主要问题 |
| 1 |
初识 AI Infra |
一次生成需要多少显存、计算和数据读写？ |
| 2 |
模型架构 |
注意力、历史状态与专家结构如何改变系统需求？ |
| 3 |
推理与训练负载 |
任务阶段、到达模式和状态寿命如何影响资源需求？ |
| 4 |
加速器架构 |
如何在计算、存储、带宽、功耗与成本之间取舍？ |
| 5 |
算子与运行时 |
融合、复用、并发和调度如何减少执行开销？ |
| 6 |
超节点 |
多设备协作如何平衡容量、吞吐和同步代价？ |
| 7 |
数据中心网络 |
网络带宽、通信方式和拥塞如何影响计算效率？ |
| 8 |
推理优化 |
批处理、KV 管理、卸载与推测解码何时有效？ |
| 9 |
分布式推理 |
如何放置计算和状态，并处理扩缩容与恢复？ |
| 10 |
训练系统 |
如何安排显存、通信和重算，让训练更高效？ |
| 11 |
资源调度与运行环境 |
模型服务和工具环境如何共享资源，减少等待？ |
| 12 |
端边云协同 |
任务放在本地、边缘还是云端，如何兼顾效果、延迟和成本？ |
适合谁读
如果你已经调用过模型 API，或在自己的机器上运行过模型，想进一步弄清模型为什么慢、如何降低成本，这本书可以作为起点。从事系统、网络和芯片工作的工程师，以及相关方向的研究人员和学生，也能从书中看到各层设计与实际模型任务的联系。
阅读时需要一些 Python、线性代数和计算机系统基础，具体要求见前言。建议先读第 1—3 章，了解模型与负载，再根据自己的兴趣选择重点：
- 做模型应用和推理服务，可以重点读第 8、9 章，再看第 11、12 章的任务环境与部署；遇到容量、算子或通信问题时，回到第 4—7 章追踪原因。
- 做系统或网络，可以重点读第 5—7 章，再看第 9、10 章，检查这些机制如何影响分布式推理与训练。
- 做芯片与体系结构，可以重点读第 4—7 章，并结合后续章节的任务算例，检查硬件指标如何转化为实际的服务能力。
- 希望系统学习，可以按目录顺序阅读，配合计算工具和实验，逐步核对自己的理解。
遇到书中的算例，不妨先自己估一下，再看推导和实验结果。也可以换成你正在使用的模型和硬件，看看结论是否改变。
配套计算与实验
配套计算工具可以用来复算书中的数字，也可以换一组模型和输入，估算资源需求。工具附有模型配置和结果索引，静态计算只需 Python 3.10+ 标准库，无需 GPU 或模型权重。
git clone https://github.com/bojieli/ai-infra-book.git
cd ai-infra-book
# 查看模型支持情况
python3 calculations/calc.py models
# 估算 Qwen3-8B 在 8192-token prefill 下的逐算子资源需求
python3 calculations/calc.py forward --model qwen3-8b --tokens 8192 --format md
仓库使用 Git LFS 保存论文和较大的输入与测量记录，合计约 20 GB。为避免克隆时全部下载，.lfsconfig 默认跳过所有 LFS 文件，工作区中只留下指针；正文、配图和静态计算都不需要它们。复现某个实验时，只下载对应目录：
git lfs install
git lfs pull --include="experiments/ch05/05-01/**" --exclude=""
配套实验按章节存放在 experiments/chXX/XX-YY/ 中，每个实验都附有运行方法、输入条件和结果说明。需要 GPU 的实验会注明硬件与依赖要求；没有相应设备，也可以先阅读已有记录。复现或引用结果时，请留意所用的书稿版本、模型、硬件和输入参数。
本地构建
阅读网站（Python 3.10+）：
python3 -m venv .venv-site
source .venv-site/bin/activate
python -m pip install -r website/requirements.txt
python scripts/build_site.py
python scripts/check_site.py
python scripts/build_site.py --serve
预览地址为 http://127.0.0.1:8000，简体中文位于根目录，英文、繁體中文和俄语分别位于 en/、zh-tw/ 和 ru/。生成文件位于 build/，详细说明见网站构建与发布。
全书 PDF 与 EPUB（另需 Pandoc、XeLaTeX 和字体）：
bash book/build_pdf.sh # 简体中文 → book/AI-Infra-Book.pdf
bash book-en/build_pdf.sh # English → book-en/AI-Infra-Book-EN.pdf
bash book-zh-tw/build_pdf.sh # 繁體中文 → book-zh-tw/AI-Infra-Book-ZH-TW.pdf
python3 book/build_epub.py --edition zh # EPUB 只需 Pandoc 与 Poppler；--edition 可选 zh、en、zh-tw、ru
译本配图存于 Git LFS，构建前先下载：git lfs pull --include="book-en/images/**,book-zh-tw/images/**" --exclude=""。依赖、字体及单章编译方法见 PDF 编译说明。GitHub Actions 会检查 Pull Request 的网站与各语言的 PDF、EPUB 构建；推送到 main 后自动发布 Release（四种语言各含 PDF 与 EPUB）并部署四种语言的在线阅读网站。
仓库结构
参与贡献
书稿仍是初稿，欢迎读者参与改进。以下几个方向都有价值，欢迎认领：
- 指出并修正错误：数字算错、单位或量级不对、引用与原文不符、公式或图表有误。发现一处就值得提一处，勘误 Issue 或直接提 PR 都可以。
- 改写讲得不清楚的地方：推导跳步、概念没有在首次出现时交代、例子不好懂。读不顺的地方多半是书写得不好，欢迎提出来，也欢迎直接给出更好的写法。
- 补充遗漏的重要内容：某个该讲的机制、架构或权衡没有写进来。
- 修复配套代码的 bug：
experiments/ 的实验代码与 calculations/ 的计算 CLI，欢迎修正错误、补充测试或改进可用性。
- 改进网页版：在线阅读版的排版、导航、搜索和移动端体验都还有提升空间。
- 翻译：英文版与繁體中文版已由社区贡献，欢迎翻译为更多语言，可参考
book-en/ 和 book-zh-tw/ 的组织方式；也欢迎跟进英文版，使其与中文原版同步。翻译前请先开 Issue 说明计划，便于协调进度、避免重复劳动。
正文的唯一来源是 manuscripts/ 下的 Markdown，网页版和 PDF 都由它构建生成，改正文请直接改这里。
作者与致谢
作者：李博杰（@bojieli）。
感谢这些年一起做研究和工程的合作者，也感谢相关论文、开源项目与技术文档的作者，以及参与勘误和实验复现的读者。详细致谢见前言，引用来源见正文脚注和参考资料库。本书 PDF 沿用《深入理解 AI Agent》的 ElegantBook / XeLaTeX 模板。
英文版由 @tg1482 翻译并贡献（#4）。
繁體中文版由 @edward821220 翻译并贡献（#10）。
俄语 community edition 由 @ilkruglov 组织并完成翻译与校验（#20）。
贡献者
感谢所有为本书贡献内容、代码、翻译和修正的贡献者！点击头像即可访问他们的 GitHub 主页，也欢迎你加入。
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许可
本书原创正文、配图及配套代码采用 Apache License 2.0 许可。Copyright © 2026 Bojie Li（李博杰）。
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版本与格式说明
- PDF：由 XeLaTeX 排版，公式、表格、脚注和交叉引用完整，推荐通读时使用。GitHub 直接显示 Markdown 时，LaTeX 公式和部分排版常常渲染不全或错位；上方目录链接到各章 Markdown 源文件，便于查找原文和提交勘误。
- EPUB：字号可调，版面随屏幕自动重排，适合手机和电子书阅读器。
- 在线阅读：阅读网站提供章节导航、全文搜索和深色模式，右上角可切换语言。
- 自动发布：每次更新
main 后自动构建全部格式并发布到 Releases，上方链接始终指向最新版。
- 翻译版本与译者：简体中文为原版，作者为 Bojie Li（李博杰），正文位于
manuscripts/。英文版由社区译者 @tg1482 翻译，位于 book-en/，包含前言与十二章正文、重绘为英文标注的配图和独立的构建脚本。繁體中文版由社区贡献者 @edward821220 翻译并整理，位于 book-zh-tw/，包含前言与十二章正文、繁體配图和独立的构建脚本；两项已知配图例外见繁體版说明。俄语 community edition 由 @ilkruglov 组织并完成翻译与校验，位于 book-ru/，依据固定版本的中文原稿制作，原作者仍为 Bojie Li。各译本的译者、来源版本和许可证见对应目录说明；译本数字、公式和引用以原版为准。
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