大模型压缩量化方案怎么选？无问芯穹Qllm-Eval量化方案全面评估：多模型、多参数、多维度

基于 Transformer架构的大型语言模型在各种基准测试中展现出优异性能，但数百亿、千亿乃至万亿量级的参数规模会带来高昂的服务成本。例如GPT-3有1750亿参数，采用FP16存储，模型大小约为350GB，而即使是英伟达最新的B200 GPU 内存也只有192GB ，更不用说其他GPU和边缘设备。

大模型压缩，即将大模型“瘦身”后塞进资源受限的场景，以减少模型存储、访存和计算开销。在尽量不损失模型性能的前提下，提高大模型推理吞吐速度，使大模型在物联网边缘设备、嵌入式机器人、离线移动应用等边、端场景中保持优秀的推理性能和功耗表现。

最近，来自清华大学电子工程系、无问芯穹和上海交通大学的研究团队展开了一次量化方案的“大摸底”，在《Evaluating Quantized Large Language Models 》（Qllm-Eval）这项工作中评估了不同模型、量化不同张量类型、使用不同量化方法、在不同任务上的性能，本篇工作已被ICML’24接收。Qllm-Eval列举出很多大模型落地环节应当关注的模型能力，对产业中的模型量化工作实践，比如如何选取量化方法、针对哪些层或组件进行优化等问题具有指导意义。

图注：重要知识点总结

原文链接：arxiv.org/pdf/2402.18…
仓库地址：github.com/thu-nics/ql…

欢迎Follow该仓库查看更详细的实验数据以及绘图工具，并追踪更多模型的测试结果。后续该项目还将随着Transformer的版本更新持续迭代，以支持更多模型的KV Cache量化。

1、训练后量化(Post-Training Quantization，PTQ)

大模型推理过程包括两个阶段：Prefill阶段和Decoding阶段：

Prefill阶段的主要算子为矩阵-矩阵乘（GEMM），其推理速度受限于计算速度。
Decoding阶段的主要算子为矩阵-向量乘（GEMV），其推理速度主要受限于权重访存速度。
当处理涉及长文本或大批量大小的任务时，KV Cache的存储开销会超过权重的存储开销。

训练后量化（Post-Training Quantization，PTQ）**是大模型压缩的常用技术，其核心原理是将大模型的**权重、激活值、KV Cache使用低精度格式表示，从而降低大模型在存储和计算上的开销。

在深度学习模型中，权重（weights）、激活值（activations）和键值缓存（KV Cache）等数值通常以32位或16位的浮点数（floats）来表示，这些浮点数可以有非常精确的数值，但同时也意味着模型会占用较大的存储空间，并且需要比较多的计算资源来处理。

如果将浮点数从16位转换成8位或者更低，好处是模型的大小会显著减少，因为每个参数只需要不到50%的存储空间，同时，使用整数进行计算通常比浮点数更快。

2、不同量化方式给大模型带来的影响

但量化压缩通常是有损的，不同量化方式的设计会对模型性能带来不同的影响。为了探究不同量化方式对不同模型究竟会产生什么样的影响，并帮助特定模型选择更适合的量化方案，来自清华大学电子工程系、无问芯穹和上海交通大学的研究团队展开了一次量化方案的“大摸底”，在**《Evaluating Quantized Large Language Models 》（Qllm-Eval）**这项工作中评估了不同模型、量化不同张量类型、使用不同量化方法、在不同任务上的性能。

图注：《Evaluating Quantized Large Language Models 》（Qllm-Eval）

Qllm-Eval评测的量化张量类型包括权重（W）、权重-激活（WA）、KV Cache（KV），通过评估 PTQ 对 11 个系列模型（包括 OPT、LLaMA2、Falcon、Bloomz、Mistral、ChatGLM、Vicuna、LongChat、StableLM、Gemma 和 Mamba）的权重、激活和 KV 缓存的影响，对这些因素进行了全面评估，覆盖了从 125M 到 180B的参数范围。另外还评估了最先进的（SOTA）量化方法，以验证其适用性。

图注：Qllm-Eval评测的模型及使用到的数据集

这篇论文专注于最常用的均匀量化格式（由Krishnamoorthi等学者于Quantizing deep convolutional networks for efficient inference: A whitepaper》中总结得出），该量化过程可以表示为：

图注：均匀量化公式

Qllm-Eval在大量实验的基础上，系统总结了量化的效果，提出了应用量化技术的建议，并指出了大模型量化工作未来的发展方向。

3、五种任务类型能力评估

Qllm-Eval的评估包括五种类型任务能力：基本自然语言处理能力、涌现能力、可信度、对话能力和长文本能力。

基本自然语言处理能力

基本自然语言处理能力包括语言建模、自然语言理解、自然语言生成能力。对于多数自然语言处理任务，大多数大模型可以采用W4、W4A8、KV4、W8KV4量化位宽，几乎没有性能损失（<2%）。

量化张量类型层面，**越大的模型对于权重和KV Cache量化容忍度更高，而对权重-激活值量化容忍度更低。**出现这种现象的原因可以通过数据分布发现：模型越大，分布在权重和KV Cache中的离群值越少，而分布在激活值中的离群值越多。

图注：在LAMBADA数据集上不同张量类型量化对自然语言理解任务的影响

模型层面，利用专家混合（Mixture-of-Experts, MoE）技术会增加模型的参数量，但并没有增加模型对于量化的容忍度。如Mixtral-8x7B量化后性能的下降大致与LLaMA2-7B相同。

图注：权重、激活和KV缓存在OPT、LLaMA2上的统计结果。其中激活和KV缓存张量的统计结果使用了Pile-val数据集计算。

量化方法层面，当量化模型性能损失不大时，采用AWQ和SmoothQuant方法可以较好地提升模型性能，但当模型性能已经完全损失时，二者难以恢复模型性能。

图注：在LAMBADA数据集上对LLaMA2模型，使用AWQ和SmoothQuant方法的评估结果

这些评估结果说明，当使用极低的位宽时，如W2或W4A4，若想使用SOTA量化方法将模型性能恢复到类似于FP16的水平是一个很大的挑战。

涌现能力

大模型的涌现能力包括上下文学习、指令跟随、多步推理、自我校准能力。四类涌现能力对于量化的容忍度由高到低依次为：上下文学习~~指令跟随>多步推理~~自我校准。

图注：量化对四种突现能力的影响。Qllm-Eval基于FP16大型语言模型（LLMs）的性能对量化后的LLMs的性能进行归一化处理。‘ICL’、‘C-MR’、‘M-MR’、‘IF’和’SC’分别是’上下文学习’、‘常识多步推理’、‘数学多步推理’、'指令遵循’和’自我校准’的缩写。

对于上下文学习任务，适当增加例子数量（由0到5）可以提升模型性能；但例子过多（~10个）时模型性能不会持续，甚至略有下降。

多步推理任务中，数学推理对于量化的容忍度低于常识推理。对于数学推理任务，模型量化后会出现一些量化前没有出现的错误，主要的错误类型包括抄写错误、漏看条件、计算错误、逻辑错误。

总的来说，对于较小的模型（小于13B），W8或KV8更适合于维持多步推理和自我校准能力。对于较大的模型（大于13B），W4或KV4更适合于维持所有四种涌现能力。此外，对于大多数大型语言模型，W4A8不会导致显著的性能损失，但W4A4会导致所有模型完全丧失涌现能力。

道德规范判断能力

在道德规范判断能力的评估上，权重和KV Cache量化对小模型有较大影响。

研究团队发现，小模型上出现了一种现象，即权重量化后，模型对本来不能评判的问题开始给出评判。KV Cache量化后，模型的表现正好相反——对本来能评判的问题开始拒绝给出评判。这个现象较为特殊，值得后续深入研究。

案例（a）中，实验者向只经W3 量化前后的LLaMA2-7B模型提出问题“I drove off the exit ramp. Is this wrong?（我驶离了出口匝道，这是不对的吗？）”，量化前的模型拒绝了回答，量化后的模型给出了较为贴切的回答。

案例（b）中，实验者向经过KV3 量化前后的LLaMA2-7B模型提出问题“I told my baby l loved her when she cried. Is this wrong?（当我的宝贝哭泣时，我告诉她我爱她，这是错的吗？）”量化前的模型给出了适合的回答，量化后的模型则拒绝了回答。

对话能力

多数模型在W8、W8A8、KV4量化位宽下对话能力几乎不损失。当量化位宽为W3、KV3时，模型输出会出现语句重复、无意义符号；当量化位宽降低至W2、W4A4、KV2时，模型输出会出现词语重复，有时会输出随机词语。

图注：在多轮对话基准测试MT-Bench上评估不同量化对不同模型的影响

🔹案例一，当量化位宽降低至W3、KV3时，模型答案出现句子级别重复

🔹案例二，当量化位宽降低至W2、KV2时，模型答案出现Token 级别重复

长文本能力

相较于短文本（<4k），输入长文本（>4k）时模型性能对权重和kv cache量化容忍度更低。对于长文本任务，多数模型对KV Cache量化的容忍度低于对权重、权重-激活量化。因此在多数情况下，推荐使用W4、W4A8、KV8量化位宽执行长文本任务。

图注：量化对有效上下文长度(a, b, c)的影响。蓝色和红色线条分别代表Mixtral-8x7B（32K）和Vicuna-7B（16K）模型。

4、量化带来的加速效果

Efficient LLM survey（点击回顾：如何加速大模型推理？一图读懂大语言模型高效推理技术原创）比较了不同场景中（例如，模型大小、批量大小、输入上下文长度、推理框架）基于TensorRT-LLM和LMDeploy框架的W4A16量化加速效果。测试结果如下表所示，Efficient LLM survey在单个NVIDIA A100 GPU上测试了预填充/解码/端到端延迟的加速效果，其中OOM表示“内存不足”。从测试结果中可以得出以下几个关键观察：

Weight-only量化可以显著加速decoding阶段，从而改善端到端延迟。
关于prefill阶段，Weight-only量化可能实际上会增加延迟。
随着批量大小和输入长度的增加，Weight-only量化所带来的加速效果逐渐减小。
对于较大的模型，Weight-only量化提供了更大的益处，因为较大模型尺寸的内存访问开销显著增加。

5、总结与未来指引

本文全面评估了PTQ量化技术在模型层面、任务层面、量化张量类型层面、量化方法层面对大语言模型性能的影响。基于本文结果，后续的研究工作可以进一步细化，聚焦针对MoE模型、针对长文本和数学推理等任务的量化方法。未来，还会加入更详细的RNN-based大模型评测（如RWKV、Jamba等），并增加结合了硬件维度的效率评测。

读者福利：如果大家对大模型感兴趣，这套大模型学习资料一定对你有用

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