2023年的深度学习入门指南(6) - 剪枝和量化
从这一节开始，我们要准备一些技术专项了。因为目前大模型技术还在快速更新迭代中，各种库和实现每天都在不停出现。因为变化快，所以难免会遇到一些问题。对于细节有一定的把握能力起码可以做到出问题不慌，大致知道从哪方面入手。
我们首先从如何优化大模型的大小，使其能够在更少计算资源的情况下运行起来。
针对模型太大，比较显而易见的是有三种思路：
- 有损或无损地对模型进行压缩：比如将不重要的网络节点和边去掉，这叫作剪枝；再如将16位浮点数运算变成8位整数运算，这叫作量化。
- 采用更有效的学习算法。比如不是从原始数据中学习，而是跟大模型学，这叫做蒸馏。
- 改进网络的结构，更有效发挥硬件能力等等。
我们这一节先说模型压缩方法：剪枝和量化。
剪枝
以全连接网络为例，网络都是节点和连接节点的边组成的。我们想要压缩网络的大小，就可以通过计算，将一些不重要的节点从图中删除掉，如下图所示：
这个算法出自名门，是神经网络获得图灵奖的三巨头之一的Yann LeCun于1989年就研究出来了。
剪枝虽然看起来简单粗暴，跟企业裁员似的。但是操作起来需要小火慢慢来的，一般在一个训练好的大网络上，一次一次迭代地将最低显著性分数的节点去掉，这样可以让损失变得最小化。
剪枝完成后，还要用剪完的网络进行微调，使得性能更好。
如果一次剪枝之后还达不到要求，这个过程可以重复多次，直到满足对于小模型的需求为止。
比如我们可以取让损失函数变化最大的节点作为被剪掉的节点。也可以采用随机策略随机删掉一个节点。也可以根据网络的结构取中间层进行剪枝，以减少对节点较小的输入输出层的影响。随机剪枝我们也称之为非结构化剪枝，而按模块进行剪枝的称为结构化剪枝。
从剪掉的节点数量上考虑，既可以每一轮被剪掉均匀的数量，也可以开始的时候多剪一些，后面慢慢变少。
最后，如果剪过头影响性能了，我们还可以让部分节点重新生长出来。然后可以再次尝试下一轮剪枝。
在主要框架中，早已经集成好了剪枝功能，比如在PyTorch中，剪枝功能是在torch.nn.utils.prune中定义的。
我们先看L1Unstructured，它是取将最小的L1-Norm值的节点剪掉为策略的剪枝方法：
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.utils.prune as prune
# 定义一个简单的神经网络
class SimpleNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleNN, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(10, 5)
self.fc2 = nn.Linear(5, 3)
def forward(self, x):
x = self.fc1(x)
x = self.fc2(x)
return x
# 实例化网络
model = SimpleNN()
# 使用 L1Unstructured 对第一个全连接层进行剪枝
# 剪枝前，查看权重
print("Before pruning:")
print(model.fc1.weight)
# 应用 L1Unstructured 剪枝方法，保留 50% 的权重
prune.l1_unstructured(model.fc1, name='weight', amount=0.5)
# 剪枝后，查看权重
print("After pruning:")
print(model.fc1.weight)
我们来看看运行结果。剪枝之前的：
Before pruning:
Parameter containing:
tensor([[ 0.1743, -0.1874, -0.1400, 0.1085, 0.0037, 0.2902, -0.0728, 0.2963,
-0.1599, -0.1496],
[-0.0496, -0.0954, 0.0030, -0.1801, 0.1881, 0.0244, 0.0629, -0.2639,
-0.0755, -0.2218],
[-0.2467, -0.1869, 0.0836, 0.0503, 0.2446, -0.2809, 0.1273, 0.0471,
-0.1552, 0.0118],
[-0.2023, -0.2786, -0.2742, 0.0381, -0.0608, 0.0737, -0.1440, -0.0835,
-0.0172, 0.1741],
[-0.1663, -0.1361, 0.2251, -0.1459, 0.1826, -0.1802, 0.2597, 0.2781,
0.1729, -0.1752]], requires_grad=True)
剪枝之后的：
After pruning:
tensor([[ 0.1743, -0.1874, -0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.2902, -0.0000, 0.2963,
-0.1599, -0.0000],
[-0.0000, -0.0000, 0.0000, -0.1801, 0.1881, 0.0000, 0.0000, -0.2639,
-0.0000, -0.2218],
[-0.2467, -0.1869, 0.0000, 0.0000, 0.2446, -0.2809, 0.0000, 0.0000,
-0.0000, 0.0000],
[-0.2023, -0.2786, -0.2742, 0.0000, -0.0000, 0.0000, -0.0000, -0.0000,
-0.0000, 0.1741],
[-0.1663, -0.0000, 0.2251, -0.0000, 0.1826, -0.1802, 0.2597, 0.2781,
0.1729, -0.1752]], grad_fn=<MulBackward0>)
我们可以看到，一半的权重值已经被剪成0了。
我们也可以使用torch.nn.utils.prune.random_unstructured函数来实现随机剪枝：
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.utils.prune as prune
# 定义一个简单的神经网络
class SimpleNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleNN, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(10, 5)
self.fc2 = nn.Linear(5, 3)
def forward(self, x):
x = self.fc1(x)
x = self.fc2(x)
return x
# 实例化网络
model = SimpleNN()
# 使用 random_unstructured 对第一个全连接层进行剪枝
# 剪枝前，查看权重
print("Before pruning:")
print(model.fc1.weight)
# 应用 random_unstructured 剪枝方法，保留 50% 的权重
prune.random_unstructured(model.fc1, name='weight', amount=0.5)
# 剪枝后，查看权重
print("After pruning:")
print(model.fc1.weight)
随机剪枝的结果与上面的L1不同在于，每一次运行的结果是不相同的。
说完非结构化的，我们再来看结构化的。
结构化可以定义维，比如将第一维的都剪掉，我们看例子：
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.utils.prune as prune
# 定义一个简单的神经网络
class SimpleNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleNN, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(10, 10)
self.fc2 = nn.Linear(10, 5)
self.fc3 = nn.Linear(5, 3)
def forward(self, x):
x = self.fc1(x)
x = self.fc2(x)
x = self.fc3(x)
return x
# 实例化网络
model = SimpleNN()
# 使用 L1Unstructured 对第一个全连接层进行剪枝
# 剪枝前，查看权重
print("Before pruning:")
print(model.fc1.weight)
# 应用 random_structured 剪枝方法，保留 50% 的权重
prune.random_structured(model.fc1, name='weight',amount=0.5, dim=1)
# 剪枝后，查看权重
print("After pruning:")
print(model.fc1.weight)
我们来看运行结果：
Before pruning:
Parameter containing:
tensor([[ 1.8203e-01, -2.4652e-02, -1.8870e-01, -2.0959e-01, -1.4791e-01,
1.7911e-01, 2.1782e-01, 2.0245e-01, -7.1234e-02, -2.4723e-01],
[ 2.0795e-01, -2.4798e-01, -6.2147e-03, -2.7634e-01, -3.6599e-02,
-1.2186e-01, -9.3189e-02, 1.0184e-01, 9.8952e-02, -1.6860e-01],
[ 8.2882e-03, -9.2586e-02, 1.1309e-01, 1.3828e-01, 1.5534e-01,
-6.5238e-02, -2.4512e-01, -1.8104e-01, -1.7913e-01, -6.7663e-02],
[ 1.6401e-01, 1.5702e-01, -2.7113e-01, -1.1145e-01, -3.8372e-02,
1.9320e-01, -1.1800e-01, -1.6497e-03, -2.7625e-01, 2.4986e-01],
[ 9.3429e-02, -1.9261e-01, 1.1799e-02, -3.1452e-01, 3.8984e-02,
2.5882e-01, 1.7893e-01, -3.0125e-01, 2.1812e-01, 3.0290e-01],
[-9.5934e-05, -8.3178e-02, 1.2058e-01, -2.8590e-01, 2.9342e-01,
-1.3845e-01, -2.2089e-01, -9.1614e-02, 2.7203e-01, -1.7542e-01],
[ 1.5185e-02, -2.5059e-01, 2.8496e-01, 2.6329e-01, 8.1400e-02,
2.1947e-01, -2.0651e-01, 2.3151e-01, 2.5052e-01, 7.7183e-02],
[-4.8820e-02, -7.7806e-02, -2.2073e-01, 5.1517e-03, -2.3736e-01,
-1.4963e-01, -2.0640e-01, -1.7726e-01, -2.6281e-01, -6.7827e-02],
[-6.8090e-02, 3.0740e-01, 3.0408e-01, 1.8012e-01, 8.3739e-02,
-2.3268e-01, 2.1999e-02, 1.3235e-01, 4.1730e-03, 2.9417e-01],
[-3.3793e-02, 2.4021e-01, -6.9832e-02, -2.7820e-01, -1.7553e-01,
9.3053e-02, -2.2394e-01, -2.2041e-01, 1.6536e-01, -6.8046e-02]],
requires_grad=True)
After pruning:
tensor([[ 1.8203e-01, -0.0000e+00, -1.8870e-01, -2.0959e-01, -1.4791e-01,
1.7911e-01, 0.0000e+00, 0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00],
[ 2.0795e-01, -0.0000e+00, -6.2147e-03, -2.7634e-01, -3.6599e-02,
-1.2186e-01, -0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, -0.0000e+00],
[ 8.2882e-03, -0.0000e+00, 1.1309e-01, 1.3828e-01, 1.5534e-01,
-6.5238e-02, -0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00],
[ 1.6401e-01, 0.0000e+00, -2.7113e-01, -1.1145e-01, -3.8372e-02,
1.9320e-01, -0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00, 0.0000e+00],
[ 9.3429e-02, -0.0000e+00, 1.1799e-02, -3.1452e-01, 3.8984e-02,
2.5882e-01, 0.0000e+00, -0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00],
[-9.5934e-05, -0.0000e+00, 1.2058e-01, -2.8590e-01, 2.9342e-01,
-1.3845e-01, -0.0000e+00, -0.0000e+00, 0.0000e+00, -0.0000e+00],
[ 1.5185e-02, -0.0000e+00, 2.8496e-01, 2.6329e-01, 8.1400e-02,
2.1947e-01, -0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00],
[-4.8820e-02, -0.0000e+00, -2.2073e-01, 5.1517e-03, -2.3736e-01,
-1.4963e-01, -0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00, -0.0000e+00],
[-6.8090e-02, 0.0000e+00, 3.0408e-01, 1.8012e-01, 8.3739e-02,
-2.3268e-01, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00],
[-3.3793e-02, 0.0000e+00, -6.9832e-02, -2.7820e-01, -1.7553e-01,
9.3053e-02, -0.0000e+00, -0.0000e+00, 0.0000e+00, -0.0000e+00]],
grad_fn=<MulBackward0>)
大家看到那一列整齐的正0和负0了么。当然，这一维全0了，仍然不够50%，其他维还是要再出一些名额的。
量化
在ARM处理器大核都要把32位计算模块砍掉的情况下，64位计算已经成为了哪怕是手机上的主流。最不济也可以使用32位的指令。在深度学习的计算中，我们主要使用也是32位精度的浮点计算。
当模型变大后，如果我们可以将32位浮点运算变成8位整数运算，甚至极端情况下搞成4位整数运算，则不管是在存储还是计算上都节省大量的资源。
量化的算法很容易想到，压缩时就是把一个区间的值都映射到一个离散值上。还原时就想办法恢复成之前的值。
最极端的情况下就是二值量化，这就退化成符号函数或者是激活函数了。
对照上图，量化要做的事情，就是尽可能有效地利用有限的量化后的存储空间，让原始数据的损失最小。
如果这么说比较抽象的话，我们边写代码，边举例子说明。
固定大小量化方法
在PyTorch中，量化函数quantize_per_tensor主要需要三个参数：缩放因子，零点和量化类型。
类型我们取8位无符号数。
缩放因子的公式：scale = (max_val - min_val) / (qmax - qmin)
零点的计算公式：zero_point = qmin - round(min_val / scale)
对于8位无符号数的话，qmax = 256, qmin = 0。
我们先随便写一个找找感觉：
import torch
x = torch.rand(2, 3, dtype=torch.float32)
print(x)
xq = torch.quantize_per_tensor(x, scale=0.5, zero_point=0, dtype=torch.quint8)
print(xq)
如果想看到量化之后的整数表示，我们可以通过int_repr方法来查看。
xq.int_repr()
最后，我们可以用dequantize来解量化：
xd = xq.dequantize()
print(xd)
torch.rand是取0到1之间的浮点数，那么max_val为1.0，min_val为0.0.
scale就是1/256.
我们把上面的串在一起：
import torch
x = torch.rand(2, 3, dtype=torch.float32)
print(x)
xq = torch.quantize_per_tensor(x, scale=1/256, zero_point=0, dtype=torch.quint8)
print(xq)
# 看整数的表示：
print(xq.int_repr())
# 解量化
xd = xq.dequantize()
print(xd)
随机生成的值是这样的：
tensor([[0.8779, 0.2919, 0.6965],
[0.8018, 0.2809, 0.0910]])
量化之后的值为整数值为：
tensor([[225, 75, 178],
[205, 72, 23]], dtype=torch.uint8)
解量化之后的结果为：
tensor([[0.8789, 0.2930, 0.6953],
[0.8008, 0.2812, 0.0898]])
基本上还是可以保证小数点之后两位左右的准确率。
如果我们还想省得更多，采用4位做量化会是什么样的结果呢？
4位的话，scale就变成1/16了：
import torch
x = torch.tensor([[0.8779, 0.2919, 0.6965],
[0.8018, 0.2809, 0.0910]])
print(x)
xq = torch.quantize_per_tensor(x, scale=1/16, zero_point=0, dtype=torch.quint8)
print(xq)
# 看整数的表示：
print(xq.int_repr())
# 解量化
xd = xq.dequantize()
print(xd)
输出结果如下：
tensor([[0.8779, 0.2919, 0.6965],
[0.8018, 0.2809, 0.0910]])
tensor([[0.8750, 0.3125, 0.6875],
[0.8125, 0.2500, 0.0625]], size=(2, 3), dtype=torch.quint8,
quantization_scheme=torch.per_tensor_affine, scale=0.0625, zero_point=0)
tensor([[14, 5, 11],
[13, 4, 1]], dtype=torch.uint8)
tensor([[0.8750, 0.3125, 0.6875],
[0.8125, 0.2500, 0.0625]])
可以看到，当只有4位量化的时候，只能做到1位小数差不多了。
自动调整区间的量化
不过，观察上面的量化结果，我们发现，我们取的max_val和min_val都偏保守。
以上面4位量化为例：
tensor([[14, 5, 11],
[13, 4, 1]], dtype=torch.uint8)
我们上没有用到15，下没有用到0，明显是浪费了一点精度。
为了更充分发挥潜力，我们可以计算更精确一些。
当然，这事情不需要手工搞，PyTorch为我们准备好了torch.quantization.MinMaxObserver，我们只要设定好范围，就可以调用calculate_qparams方法来自动计算缩放因子和零点位置：
observer = torch.quantization.MinMaxObserver(quant_min=0,quant_max=15)
observer(x)
scale, zero_point = observer.calculate_qparams()
print(scale, zero_point)
跟上面的例子组合一下：
import torch
x = torch.tensor([[0.8779, 0.2919, 0.6965],
[0.8018, 0.2809, 0.0910]])
print(x)
observer = torch.quantization.MinMaxObserver(quant_min=0,quant_max=15)
observer(x)
scale, zero_point = observer.calculate_qparams()
print(scale, zero_point)
xq = torch.quantize_per_tensor(x, scale=scale, zero_point=zero_point, dtype=torch.quint8)
print(xq)
# 看整数的表示：
print(xq.int_repr())
# 解量化
xd = xq.dequantize()
print(xd)
我们看一下结果：
tensor([[0.8779, 0.2919, 0.6965],
[0.8018, 0.2809, 0.0910]])
tensor([0.0585]) tensor([0], dtype=torch.int32)
tensor([[0.8779, 0.2926, 0.7023],
[0.8194, 0.2926, 0.1171]], size=(2, 3), dtype=torch.quint8,
quantization_scheme=torch.per_tensor_affine, scale=0.058526668697595596,
zero_point=0)
tensor([[15, 5, 12],
[14, 5, 2]], dtype=torch.uint8)
tensor([[0.8779, 0.2926, 0.7023],
[0.8194, 0.2926, 0.1171]])
scale从0.0625降低到了0.058526668697595596，能提升6%吧。
更主要的是，随着可以使用动态监控，我们以后不管针对什么样的数据分布，都可以用更加符合大小的值来进行量化。
对了，在2023年4月20日这个时间点，PyTorch的量化功能还处于beta阶段。后面正式发布了我再更新。
量化的硬件支持
经过上面的学习，我们对量化的原理和编程已经有了一个比较清晰的了解。
不过，在实际应用中并没有这么简单。在实际硬件中，如果是只有CPU的情况下，我们使用FBGEMM库来实现加速。
import torch
# define a floating point model where some layers could be statically quantized
class M(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
# QuantStub converts tensors from floating point to quantized
self.quant = torch.ao.quantization.QuantStub()
self.conv = torch.nn.Conv2d(1, 1, 1)
self.relu = torch.nn.ReLU()
# DeQuantStub converts tensors from quantized to floating point
self.dequant = torch.ao.quantization.DeQuantStub()
def forward(self, x):
# manually specify where tensors will be converted from floating
# point to quantized in the quantized model
x = self.quant(x)
x = self.conv(x)
x = self.relu(x)
# manually specify where tensors will be converted from quantized
# to floating point in the quantized model
x = self.dequant(x)
return x
# create a model instance
model_fp32 = M()
# model must be set to eval mode for static quantization logic to work
model_fp32.eval()
# attach a global qconfig, which contains information about what kind
# of observers to attach. Use 'x86' for server inference and 'qnnpack'
# for mobile inference. Other quantization configurations such as selecting
# symmetric or asymmetric quantization and MinMax or L2Norm calibration techniques
# can be specified here.
# Note: the old 'fbgemm' is still available but 'x86' is the recommended default
# for server inference.
# model_fp32.qconfig = torch.ao.quantization.get_default_qconfig('fbgemm')
model_fp32.qconfig = torch.ao.quantization.get_default_qconfig('x86')
# Fuse the activations to preceding layers, where applicable.
# This needs to be done manually depending on the model architecture.
# Common fusions include `conv + relu` and `conv + batchnorm + relu`
model_fp32_fused = torch.ao.quantization.fuse_modules(model_fp32, [['conv', 'relu']])
# Prepare the model for static quantization. This inserts observers in
# the model that will observe activation tensors during calibration.
model_fp32_prepared = torch.ao.quantization.prepare(model_fp32_fused)
# calibrate the prepared model to determine quantization parameters for activations
# in a real world setting, the calibration would be done with a representative dataset
input_fp32 = torch.randn(4, 1, 4, 4)
model_fp32_prepared(input_fp32)
# Convert the observed model to a quantized model. This does several things:
# quantizes the weights, computes and stores the scale and bias value to be
# used with each activation tensor, and replaces key operators with quantized
# implementations.
model_int8 = torch.ao.quantization.convert(model_fp32_prepared)
# run the model, relevant calculations will happen in int8
res = model_int8(input_fp32)
print(res)
如果是在手机上运行，就要使用qnnpack库来替换掉x86或者fbgemm：
model_fp32.qconfig = torch.ao.quantization.get_default_qconfig('qnnpack')
FBGEMM和qnnpack都是矩阵计算的加速库。
fbgemm库
FBGEMM (Facebook’s Gemm Library) 是一个高性能、低精度矩阵乘法库，适用于服务器端的 x86 架构。它广泛应用于深度学习、推荐系统等领域。
我们来写个例子理解FBGEMM是什么。
先下载FBGEMM的代码：
git clone --recursive https://github.com/pytorch/FBGEMM.git
cd FBGEMM
mkdir build && cd build
cmake ..
make
make install
为了可以编译成功，我们还需要一个BLAS库，比如使用Intel的MKL库，或者是OpenBLAS库。后面我们会详细介绍这些支持并行开发的库。
编译成功之后，我们写个调用fbgemm进行矩阵计算的例子：
#include <iostream>
#include "fbgemm/Fbgemm.h"
int main() {
// 定义矩阵维度
int M = 3;
int N = 2;
int K = 4;
// 定义矩阵 A 和 B
float A[M * K] = {1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8,
9, 10, 11, 12};
float B[K * N] = {1, 2,
3, 4,
5, 6,
7, 8};
// 初始化 C 矩阵
float C[M * N] = {0};
// 定义 FBGEMM 参数
fbgemm::matrix_op_t A_op = fbgemm::matrix_op_t::NoTranspose;
fbgemm::matrix_op_t B_op = fbgemm::matrix_op_t::NoTranspose;
// 执行矩阵乘法运算
fbgemm::cblas_sgemm_ref(M, N, K, A, K, A_op, B, N, B_op, C, N);
// 打印结果矩阵 C
std::cout << "矩阵 C: " << std::endl;
for (int i = 0; i < M; ++i) {
for (int j = 0; j < N; ++j) {
std::cout << C[i * N + j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}
编译运行：
g++ -std=c++11 -I/path/to/FBGEMM/include -L/path/to/FBGEMM/lib fbgemm_example.cpp -o fbgemm_example -lfbgemm
qnnpack库现在已经是PyTorch的一部分，我们就不多做介绍了。
小结
本节我们介绍了模型压缩的两种主要方法：剪枝和量化。
通过量化，我们揭开了硬件优化的一角，后面还要全面展开。
