在消費(fèi)級 GPU 上運(yùn)行大規(guī)模模型是機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)正面臨的挑戰(zhàn)。

　　語言模型的規(guī)模一直在變大，PaLM 有 540B 參數(shù)，OPT、GPT-3 和 BLOOM 有大約 176B 參數(shù)，模型還在朝著更大的方向發(fā)展。

　　這些模型很難在易于訪問的設(shè)備上運(yùn)行。例如，BLOOM-176B 需要在 8 個 80GB A100 GPU(每個約 15000 美元)上運(yùn)行才能完成推理任務(wù)，而微調(diào) BLOOM-176B 則需要 72 個這樣的 GPU。PaLM 等更大的模型將需要更多的資源。

　　我們需要找到方法來降低這些模型的資源需求，同時保持模型的性能。領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了各種試圖縮小模型大小的技術(shù)，例如量化和蒸餾。

　　BLOOM 是去年由 1000 多名志愿研究人員在一個名為「BigScience」的項目中創(chuàng)建的，該項目由人工智能初創(chuàng)公司 Hugging Face 利用法國政府的資金運(yùn)作，今年 7 月 12 日 BLOOM 模型正式發(fā)布。

　　使用 Int8 推理會大幅減少模型的內(nèi)存占用，卻不會降低模型的預(yù)測性能。基于此，來自華盛頓大學(xué)、Meta AI 研究院等(原 Facebook AI Research )機(jī)構(gòu)的研究員聯(lián)合 HuggingFace 開展了一項研究，試圖讓經(jīng)過訓(xùn)練的 BLOOM-176B 在更少的 GPU 上運(yùn)行，并將所提方法完全集成到 HuggingFace Transformers 中。

　　論文地址：https://arxiv.org/pdf/2208.07339.pdf

　　Github 地址：https://github.com/timdettmers/bitsandbytes

　　該研究為 transformer 提出了首個數(shù)十億規(guī)模的 Int8 量化過程，該過程不會影響模型的推理性能。它可以加載一個具有 16-bit 或 32-bit 權(quán)重的 175B 參數(shù)的 transformer，并將前饋和注意力投影層轉(zhuǎn)換為 8-bit。其將推理所需的內(nèi)存減少了一半，同時保持了全精度性能。

　　該研究將向量量化和混合精度分解的組合命名為 LLM.int8()。實(shí)驗(yàn)表明，通過使用 LLM.int8()，可以在消費(fèi)級 GPU 上使用多達(dá) 175B 參數(shù)的 LLM 執(zhí)行推理，而不會降低性能。該方法不僅為異常值對模型性能的影響提供了新思路，還首次使在消費(fèi)級 GPU 的單個服務(wù)器上使用非常大的模型成為可能，例如 OPT-175B/BLOOM。

　　方法簡介

　　機(jī)器學(xué)習(xí)模型的大小取決于參數(shù)的數(shù)量及其精度，通常是 float32、float16 或 bfloat16 之一。float32 (FP32) 代表標(biāo)準(zhǔn)化的 IEEE 32 位浮點(diǎn)表示，使用這種數(shù)據(jù)類型可以表示范圍廣泛的浮點(diǎn)數(shù)。FP32 為「指數(shù)」保留 8 位，為「尾數(shù)」保留 23 位，為數(shù)字的符號保留 1 位。并且，大多數(shù)硬件都支持 FP32 操作和指令。

　　而 float16 (FP16) 為指數(shù)保留 5 位，為尾數(shù)保留 10 位。這使得 FP16 數(shù)字的可表示范圍遠(yuǎn)低于 FP32，面臨溢出(試圖表示一個非常大的數(shù)字)和下溢(表示一個非常小的數(shù)字)的風(fēng)險。

　　出現(xiàn)溢出時會得到 NaN(非數(shù)字)的結(jié)果，如果像在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中那樣進(jìn)行順序計算，那么很多工作都會崩潰。bfloat16 (BF16) 則能夠避免這種問題。BF16 為指數(shù)保留 8 位，為小數(shù)保留 7 位，意味著 BF16 可以保留與 FP32 相同的動態(tài)范圍。

　　理想情況下，訓(xùn)練和推理應(yīng)該在 FP32 中完成，但它的速度比 FP16/BF16 慢，因此要使用混合精度來提高訓(xùn)練速度。但在實(shí)踐中，半精度權(quán)重在推理過程中也能提供與 FP32 相似的質(zhì)量。這意味著我們可以使用一半精度的權(quán)重并使用一半的 GPU 來完成相同的結(jié)果。

　　但是，如果我們可以使用不同的數(shù)據(jù)類型以更少的內(nèi)存存儲這些權(quán)重呢?一種稱為量化的方法已廣泛用于深度學(xué)習(xí)。

　　該研究首先在實(shí)驗(yàn)中用 2-byte BF16/FP16 半精度代替 4-byte FP32 精度，實(shí)現(xiàn)了幾乎相同的推理結(jié)果。這樣一來，模型減小了一半。但是如果進(jìn)一步降低這個數(shù)字，精度會隨之降低，那推理質(zhì)量就會急劇下降。

　　為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，該研究引入 8bit 量化。這種方法使用四分之一的精度，因此只需要四分之一模型大小，但這不是通過去除另一半 bit 來實(shí)現(xiàn)的。

　　兩種最常見的 8-bit 量化技術(shù)為 zero-point 量化和 absmax(absolute maximum)量化。這兩種方法將浮點(diǎn)值映射為更緊湊的 int8(1 字節(jié))值。

　　例如，在 zero-point 量化中，如果數(shù)據(jù)范圍是 -1.0——1.0，量化到 -127——127，其擴(kuò)展因子為 127。在這個擴(kuò)展因子下，例如值 0.3 將被擴(kuò)展為 0.3*127 = 38.1。量化通常會采用四舍五入(rounding)，得到了 38。如果反過來，將得到 38/127=0.2992——在這個例子中有 0.008 的量化誤差。這些看似微小的錯誤在通過模型層傳播時往往會累積和增長，并導(dǎo)致性能下降。

　　雖然這些技術(shù)能夠量化深度學(xué)習(xí)模型，但它們通常會導(dǎo)致模型準(zhǔn)確率下降。但是集成到 Hugging Face Transformers 和 Accelerate 庫中的 LLM.int8()，是第一種即使對于帶有 176B 參數(shù)的大型模型 (如 BLOOM) 也不會降低性能的技術(shù)。

　　LLM.int8()算法可以這樣解釋，本質(zhì)上，LLM.int8()試圖通過三個步驟來完成矩陣乘法計算：

　　從輸入隱藏狀態(tài)中，按列提取異常值(即大于某個閾值的值)。

　　將 FP16 中的異常值與 int8 中的非異常值進(jìn)行矩陣乘法。

　　在 FP16 中對非異常值進(jìn)行去量化，將異常值和非異常值相加，得到完整的結(jié)果。

　　這些步驟可以在下面的動畫中總結(jié)：

　　最后，該研究還關(guān)注了一個問題：速度比原生模型更快嗎?

　　LLM.int8() 方法的主要目的是使大型模型更易于訪問而不會降低性能。但是，如果它非常慢，那么用處也不大了。研究團(tuán)隊對多個模型的生成速度進(jìn)行了基準(zhǔn)測試，發(fā)現(xiàn)帶有 LLM.int8() 的 BLOOM-176B 比 fp16 版本慢了大約 15% 到 23%——這是完全可以接受的。而較小的模型(如 T5-3B 和 T5-11B)的減速幅度更大。研究團(tuán)隊正在努力提升這些小型模型的運(yùn)行速度。