国際会議 · 2026

Transformer-Based Resource and Stage-Aware Scheduling for Model-Parallel LLM Inference

Rami Naeem , Tengis Buyantogtokh , Hamada Rizk , Tatsuya Amano , Hirozumi Yamaguchi

ICDCN 2026 Workshop: DistLLM

DOI: 10.1145/3737611.3776613

Abstract

Current large language model (LLM) serving systems face three key limitations in distributed scheduling. First, most parallelization strategies are not stage-aware: they treat prefill and decode as uniform workloads despite their distinct compute and communication profiles. Second, many assume homogeneous hardware and ignore resource diversity in memory and bandwidth across nodes. Third, they overlook network congestion, as they are primarily designed for data-center environments with abundant interconnect bandwidth. We address these gaps with a resource- and stage-aware scheduler that models heterogeneous GPU clusters, communication costs, and per-stage characteristics. We compare three approaches: a heuristic stage-based policy, a continuous-batching (vLLM-style) baseline, and a transformer-based scheduler trained by imitation to replicate and improve the heuristic. Our evaluation spans eight representative scenarios covering large models that exceed a single GPU, prefill-dominant and mixed workloads, heterogeneous and bandwidth-limited clusters, strict SLO constraints, and multi-tenant or elastic deployments. The learned scheduler reduces latency by up to 50% under bandwidth-constrained or heterogeneous conditions while maintaining throughput within 20–30% of vLLM. It further improves latency by 3–17% over its heuristic teacher while preserving 100% feasibility. Continuous batching remains superior on high-bandwidth fabrics. These results identify bandwidth as a first-order determinant of optimal scheduling and demonstrate that learned schedulers can unify heuristic feasibility with adaptive, resource-aware optimization.

解説

大規模言語モデルの推論を一台の GPU に収められない場合、モデルを分割して複数のノードに載せることになります。このときどの処理をどこへ割り当てるかを決めるのがスケジューラですが、既存のものには三つの前提が入っていました。まず、推論を段階に分けて考えていないこと。次に、どのノードも同じ性能だと仮定していること。そして、ノード間の帯域が潤沢なデータセンターを想定していて、ネットワークの混雑を考えていないことです。

段階というのは、推論が prefill と decode という性質の違う二つの局面からなることを指します。prefill は入力全体をまとめて処理するため計算が重く、decode は一語ずつ生成するため計算は軽い代わりに通信の往復が効いてきます。この二つを同じ仕事として扱うと、どちらかに合わせた割り当てになって全体が損をします。

本研究のスケジューラは、GPU の性能がまちまちなクラスタ、通信のコスト、段階ごとの性質を明示的にモデルに入れています。比較したのは、段階に基づくヒューリスティックな方針、vLLM 方式の連続バッチング、そしてヒューリスティックを模倣学習で再現したうえで改善する Transformer ベースのスケジューラの三つです。

評価は、単一 GPU に収まらない大きなモデル、prefill 中心の負荷と混合負荷、性能の揃わないクラスタや帯域の細いクラスタ、厳しい SLO、マルチテナント配備など八つの場面にわたります。学習したスケジューラは帯域が細い条件や構成が不均一な条件で遅延を最大 50% 削減し、スループットは vLLM の 20〜30% 以内に収めました。教師としたヒューリスティックに対しても遅延を 3〜17% 改善しつつ、実行可能性は 100% 保っています。帯域が潤沢な環境では連続バッチングが依然として優れており、帯域こそが最適なスケジューリングを決める一次的な要因であることが示されました。

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DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585469

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DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585419

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DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585337

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DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585321

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Rami Naeem, Srikant Manas, Tatsuya Amano, Hirozumi Yamaguchi

ICDCN 2026 Workshop: IWNDSC2026

DOI 10.1145/3737611.3776620