低比特量化技術(shù)如何幫助LLM提升性能

作者：楊亦誠(chéng)

針對(duì)大語(yǔ)言模型 (LLM) 在部署過(guò)程中的性能需求，低比特量化技術(shù)一直是優(yōu)化效果最佳的方案之一，本文將探討低比特量化技術(shù)如何幫助 LLM 提升性能，以及新版 OpenVINO對(duì)于低比特量化技術(shù)的支持。

大模型性能瓶頸

相比計(jì)算量的增加，大模型推理速度更容易受到內(nèi)存帶寬的影響（memory bound），也就是內(nèi)存讀寫(xiě)效率問(wèn)題，這是因?yàn)榇竽Ｐ陀捎?a target="_blank">參數(shù)量巨大、訪(fǎng)存量遠(yuǎn)超內(nèi)存帶寬容量，意味著模型的權(quán)重的讀寫(xiě)速度跟不上硬件對(duì)于算子的計(jì)算強(qiáng)度，導(dǎo)致算力資源無(wú)法得到充分發(fā)揮，進(jìn)而影響性能。

圖：memory bound與compute bound比較

低比特量化技術(shù)

低比特量化技術(shù)是指將模型參數(shù)從 fp32/fp16 壓縮到更低的比特位寬表達(dá)，在不影響模型輸出準(zhǔn)確性和參數(shù)量的情況下，降低模型體積，從而減少緩存對(duì)于數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的壓力，提升推理性能。由于大模型中單個(gè) layer 上的權(quán)重體積往往要遠(yuǎn)大于該 layer 的輸入數(shù)據(jù)（activation），因此針對(duì)大模型的量化技術(shù)往往只會(huì)針對(duì)關(guān)鍵的權(quán)重參數(shù)進(jìn)行量化(WeightOnly)，而不對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，在到達(dá)理想的壓縮比的同時(shí)，盡可能保證輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)最高的量化“性?xún)r(jià)比”。

圖：權(quán)重壓縮示意

經(jīng)驗(yàn)證常規(guī)的 int8 權(quán)重量化，對(duì)大模型準(zhǔn)確性的影響極低，而為了引入像 int4，nf4 這樣的更極致的壓縮精度，目前在權(quán)重量化算法上也經(jīng)過(guò)了一些探索，其中比較典型的就是 GPTQ 算法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，GPTQ 對(duì)某個(gè) block 內(nèi)的所有參數(shù)逐個(gè)量化，每個(gè)參數(shù)量化后，需要適當(dāng)調(diào)整這個(gè) block 內(nèi)其他未量化的參數(shù)，以彌補(bǔ)量化造成的精度損失。GPTQ 量化需要準(zhǔn)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，因此他也是一種 PTQ（Post Training Quantization）量化技術(shù)。

OpenVINO 2023.2

對(duì)于 int4 模型的支持

OpenVINO 2023.2 相較 2023.1 版本，全面引入對(duì) int4 模型以及量化技術(shù)的支持。主要有以下 2 個(gè)方面：

01CPU 及 iGPU 支持原生 int4 模型推理

OpenVINO工具目前已經(jīng)可以直接讀取經(jīng) NNCF 量化以后的 int4 模型，或者是將 HuggingFace 中使用 AutoGPTQ 庫(kù)量化的模型轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行讀取及編譯。由于目前的 OpenVINO 后端硬件無(wú)法直接支持 int4 數(shù)據(jù)格式的運(yùn)算，所以在模型執(zhí)行過(guò)程中，OpenVINO runtime 會(huì)把 int4 的權(quán)重反量化的到 FP16 或是 BF16 的精度進(jìn)行運(yùn)算。簡(jiǎn)而言之：模型以 int4 精度存儲(chǔ)，以 fp16 精度計(jì)算，用計(jì)算成本換取空間及 IO 成本，提升運(yùn)行效率。這也是因?yàn)榇竽Ｐ偷男阅芷款i主要來(lái)源于 memory bound，用更高的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)效率，降低對(duì)于內(nèi)存帶寬與內(nèi)存容量的開(kāi)銷(xiāo)。

圖：經(jīng) NNCF 權(quán)重壓縮后的模型結(jié)構(gòu)

02NNCF 工具支持 int4 的混合精度量化策略（Weights Compression）

剛提到的 GPTQ 是一種 data-based 的量化方案，需要提前準(zhǔn)備校驗(yàn)數(shù)據(jù)集，借助 HuggingFace 的 Transformers 和 AutoGPTQ 庫(kù)可以完成這一操作。而為了幫助開(kāi)發(fā)者縮短 LLM 模型的壓縮時(shí)間，降低量化門(mén)檻，NNCF 工具在 2.7.0 版本中引入了針對(duì) int4 以及 nf4 精度的權(quán)重壓縮模式，這是一種 data-free 的混合精度量化算法，無(wú)需準(zhǔn)備校驗(yàn)數(shù)據(jù)集，僅對(duì) LLM 中的 Linear 和 Embedding layers 展開(kāi)權(quán)重壓縮。整個(gè)過(guò)程僅用一行代碼就可以完成：

compressed_model = compress_weights(model, mode=CompressWeightsMode.NF4, group_size=64, ratio=0.9)

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其中model為 PyTorch 或 OpenVINO 的模型對(duì)象；mode代表量化模式，這里可以選擇CompressWeightsMode.NF4，或是CompressWeightsMode.INT4_ASYM/INT4_SYM等不同模式；為了提升量化效率，Weights Compression 使用的是分組量化的策略（grouped quantization），因此需要通過(guò)group_size配置組大小，例如 group_size=64 意味 64 個(gè) channel 的參數(shù)將共享同一組量化參數(shù)（zero point, scale value）；此外鑒于 data-free 的 int4 量化策略是比帶來(lái)一定的準(zhǔn)確度損失，為了平衡模型體積和準(zhǔn)確度，Weights Compression 還支持混合精度的策略，通過(guò)定義ratio值，我們可以將一部分對(duì)準(zhǔn)確度敏感的權(quán)重用 int8 表示，例如在 ratio=0.9 的情況下，90% 的權(quán)重用 int4 表示，10% 用 int8 表示，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)量化后模型的輸出結(jié)果調(diào)整這個(gè)參數(shù)。

在量化過(guò)程中，NNCF 會(huì)通過(guò)搜索的方式，逐層比較偽量化后的權(quán)重和原始浮點(diǎn)權(quán)重的差異，衡量量化操作對(duì)每個(gè) layer 可能帶來(lái)的誤差損失，并根據(jù)排序結(jié)果以及用戶(hù)定義的 ratio 值，將損失相對(duì)較低的權(quán)重壓縮到 int4 位寬。

中文大語(yǔ)言模型實(shí)踐

隨著 OpenVINO2023.2 的發(fā)布，大語(yǔ)言模型的 int4 壓縮示例也被添加到了openvino_notebooks 倉(cāng)庫(kù)中，這次特別新增了針對(duì)中文 LLM 的示例，包括目前熱門(mén)模型ChatGLM2和Qwen。在這個(gè) notebook 中，開(kāi)發(fā)者可以體驗(yàn)如何從 HuggingFace 的倉(cāng)庫(kù)中導(dǎo)出一個(gè) OpenVINO IR 格式的模型，并通過(guò) NNCF 工具進(jìn)行低比特量化，最終完成一個(gè)聊天機(jī)器人的構(gòu)建。

圖：fp16 與 int4 模型空間占用比較

通過(guò)以上這個(gè)截圖可以看到，qwen-7b-chat 經(jīng)過(guò) NNCF 的 int4 量化后，可以將體積壓縮到原本 fp16 模型的 1/3，這樣使得一臺(tái) 16GB 內(nèi)存的筆記本，就可以流暢運(yùn)行壓縮以后的 ChatGLM2 模型。此外我們還可以通過(guò)將 LLM 模型部署在酷睿 CPU 中的集成顯卡上，在提升性能的同時(shí)，減輕 CPU 側(cè)的任務(wù)負(fù)載。

圖：Notebook 運(yùn)行效果

總結(jié)

OpenVINO 2023.2 中對(duì) int4 權(quán)重量化的支持，可以全面提升大模型在英特爾平臺(tái)上的運(yùn)行性能，同時(shí)降低對(duì)于存儲(chǔ)和內(nèi)存的容量需求，降低開(kāi)發(fā)者在部署大模型時(shí)的門(mén)檻，讓本地化的大語(yǔ)言模型應(yīng)用在普通 PC 上落地成為可能。

審核編輯：湯梓紅