在消費級 GPU 上運行大規模模型是機器學習社區正面臨的挑戰。

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

　　這些模型很難在易于訪問的設備上運行。例如，BLOOM-176B 需要在 8 個 80GB A100 GPU(每個約 15000 美元)上運行才能完成推理任務，而微調 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。領域內已經開發了各種試圖縮小模型大小的技術，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」的項目中創建的，該項目由人工智能初創公司 Hugging Face 利用法國政府的資金運作，今年 7 月 12 日 BLOOM 模型正式發布。

　　使用 Int8 推理會大幅減少模型的內存占用，卻不會降低模型的預測性能。基于此，來自華盛頓大學、Meta AI 研究院等(原 Facebook AI Research )機構的研究員聯合 HuggingFace 開展了一項研究，試圖讓經過訓練的 BLOOM-176B 在更少的 GPU 上運行，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 提出了首個數十億規模的 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 權重的 175B 參數的 transformer，并將前饋和注意力投影層轉換為 8-bit。其將推理所需的內存減少了一半，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()。實驗表明，通過使用 LLM.int8()，可以在消費級 GPU 上使用多達 175B 參數的 LLM 執行推理，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，還首次使在消費級 GPU 的單個服務器上使用非常大的模型成為可能，例如 OPT-175B/BLOOM。

　　方法簡介

　　機器學習模型的大小取決于參數的數量及其精度，通常是 float32、float16 或 bfloat16 之一。float32 (FP32) 代表標準化的 IEEE 32 位浮點表示，使用這種數據類型可以表示范圍廣泛的浮點數。FP32 為「指數」保留 8 位，為「尾數」保留 23 位，為數字的符號保留 1 位。并且，大多數硬件都支持 FP32 操作和指令。

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

　　出現溢出時會得到 NaN(非數字)的結果，如果像在神經網絡中那樣進行順序計算，那么很多工作都會崩潰。bfloat16 (BF16) 則能夠避免這種問題。BF16 為指數保留 8 位，為小數保留 7 位，意味著 BF16 可以保留與 FP32 相同的動態范圍。

　　理想情況下，訓練和推理應該在 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練速度。但在實踐中，半精度權重在推理過程中也能提供與 FP32 相似的質量。這意味著我們可以使用一半精度的權重并使用一半的 GPU 來完成相同的結果。

　　但是，如果我們可以使用不同的數據類型以更少的內存存儲這些權重呢?一種稱為量化的方法已廣泛用于深度學習。

　　該研究首先在實驗中用 2-byte BF16/FP16 半精度代替 4-byte FP32 精度，實現了幾乎相同的推理結果。這樣一來，模型減小了一半。但是如果進一步降低這個數字，精度會隨之降低，那推理質量就會急劇下降。

　　為了彌補這一點，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 來實現的。

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

　　例如，在 zero-point 量化中，如果數據范圍是 -1.0——1.0，量化到 -127——127，其擴展因子為 127。在這個擴展因子下，例如值 0.3 將被擴展為 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，并導致性能下降。

　　雖然這些技術能夠量化深度學習模型，但它們通常會導致模型準確率下降。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 參數的大型模型 (如 BLOOM) 也不會降低性能的技術。

　　LLM.int8()算法可以這樣解釋，本質上，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 中的非異常值進行矩陣乘法。

　　在 FP16 中對非異常值進行去量化，將異常值和非異常值相加，得到完整的結果。

　　這些步驟可以在下面的動畫中總結：

　　最后，該研究還關注了一個問題：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。研究團隊對多個模型的生成速度進行了基準測試，發現帶有 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。研究團隊正在努力提升這些小型模型的運行速度。