大型語言模型（LLMs）在各種任務(wù)上表現(xiàn)出色，但由于其龐大的模型規(guī)模，部署方面存在挑戰(zhàn)。

在這篇論文中，來自后摩智能、騰訊 AI Lab、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)、伊利諾伊理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)量化大型語言模型的主要挑戰(zhàn)來自于通道之間不同的激活范圍，而不僅僅是離群值問題。

作者提出了一種新穎的基于重排序的量化方法 RPTQ，解決了量化大型語言模型激活的問題。RPTQ 通過重新排列激活中的通道，然后將它們分簇進(jìn)行量化，從而降低通道范圍差異的影響。

此外，作者通過避免顯式重新排序來減少存儲和計算開銷。該工作首次將 LLM 模型的激活量化推向 3 比特。激活值的 3 比特量化同時也能與權(quán)重的 3 比特量化共同使用，大幅度降低了大型欲言模型的開銷。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2304.01089

開源地址：https://github.com/hahnyuan/RPTQ4LLM

大規(guī)模語言模型（LLMs）在各種任務(wù)中展現(xiàn)出了卓越的性能，但由于它們的巨大模型大小，它們的部署面臨著挑戰(zhàn)。例如一個 66B 模型包含 660 億個參數(shù)，需要大量內(nèi)存進(jìn)行存儲。另外隨著序列長度和批處理大小的增加，內(nèi)存消耗問題變得更加嚴(yán)重，因為激活也需要消耗大量的內(nèi)存，例如 Self-attention 中的鍵和值緩存（Key/Value Cache）。然而，單個 GPU 或服務(wù)器并沒有足夠的內(nèi)存容量來存儲如此龐大的模型權(quán)重和中間激活。因此，LLM 需要被分割成多個塊并存儲在不同的設(shè)備中。由于權(quán)重和激活存儲在不同的設(shè)備上，在計算過程中需要在這些設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致顯著的帶寬和能量消耗。

為了克服 LLMs 在模型規(guī)模上的挑戰(zhàn)，模型量化已成為一種有前途的方法。該技術(shù)涉及使用低位整數(shù)對 LLMs 的權(quán)重和激活進(jìn)行量化，從而顯著降低存儲和運(yùn)行這些模型的成本。具體而言，量化有助于減少保存張量的內(nèi)存要求，并加速計算密集型操作，例如矩陣乘法和線性層。通過量化權(quán)重和激活，減少了存儲和通信開銷，提高了效率和推理速度。

圖 1 不同通道的數(shù)值分布情況。每個點(diǎn)都代表一個激活通道中的 (最大值，最小值)。

最近，GPTQ 使用 PTQ 成功地將 LLMs 的權(quán)重量化為 4 bit 或 3 bit。然而，對 LLMs 中的激活進(jìn)行量化仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

從圖 1 中可以得出兩個觀察結(jié)果：

1）一些通道具有顯著的異常值，其最大或最小值比其他通道大幾百倍。以前的研究也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個問題并針對異常值提出了特殊處理。

2）不同的通道在數(shù)值范圍上有顯著差異。使用相同的量化參數(shù)來量化不同的通道可能會導(dǎo)致顯著的量化誤差。即使兩個通道具有相同的異常值絕對值，它們在數(shù)值范圍上也可能存在很大的變化。

將整個張量使用相同的量化參數(shù)進(jìn)行量化的每張量量化技術(shù)可能不太有效。原因是將量化范圍設(shè)置為覆蓋大范圍的數(shù)值范圍可能導(dǎo)致數(shù)值較小的通道產(chǎn)生較大的量化誤差，而將其設(shè)置為覆蓋小范圍的數(shù)值范圍可能導(dǎo)致對異常值的顯著截斷，并導(dǎo)致顯著的量化誤差。例如，一個通道可能具有 - 100 到 - 50 的值范圍，而另一個通道可能具有 80 到 100 的值范圍。試圖通過將范圍從 - 100 到 100 量化來覆蓋它們的范圍將導(dǎo)致兩個通道產(chǎn)生顯著的量化誤差。這是以前的研究中尚未有效解決的一個挑戰(zhàn)。

圖 2 解決激活量化問題的不同方法對比。

為了解決激活中通道差異的問題，作者提出了一種新穎的基于重新排序的訓(xùn)練后量化方法 RPTQ。

如圖 2 所示，該方法將數(shù)值范圍相似的通道聚類在一起，然后對每個聚類中的值使用相同的量化參數(shù)進(jìn)行量化。為了實施基于重排序的量化方法，作者首先使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集作為推理輸入，從中導(dǎo)出每個激活通道的最大值和最小值。

接下來，他們采用 KMeans 算法將不同通道劃分為 g 個簇，基于每個通道的最大值和最小值形成的點(diǎn)。一旦建立了簇，他們就進(jìn)行通道重排序，將來自同一簇的通道放置在相近的位置。這樣，具有類似最大值和最小值的通道被組合在一起，并共享一組通用的量化參數(shù)。在重排序過程之后，作者對每個簇內(nèi)的激活進(jìn)行量化。這種方法為每個簇單獨(dú)計算量化參數(shù)（縮放因子 s 和零點(diǎn) z），確保這些參數(shù)專門針對相應(yīng)的通道。

最終，該方法確保了每個簇的量化都得到優(yōu)化，減少了量化誤差。

圖 3：一重排權(quán)重和激活的量化 Transformer 層的推斷過程失意圖。重排索引用符號 R1 到 R5 表示。

顯式重排是一種運(yùn)行時重新排列激活中通道的操作，需要將不同通道的數(shù)據(jù)從一個內(nèi)存位置物理移動到另一個位置，因此對于具有大量通道的大型模型，重排過程可能非常耗時。此外，存儲源和目標(biāo)激活張量會增加內(nèi)存開銷。因此，作者提出了避免顯式重新排序的策略，從而降低了計算開銷，提高了推理效率。

如圖 3 所示，作者重新排序線性層的權(quán)重，使它們能夠直接按照排序順序產(chǎn)生激活。此外，作者修改了 LayerNorm 的方法，使其能夠直接產(chǎn)生重新排序的激活，從而省去了在推理過程中進(jìn)行顯式通道調(diào)整。

作者在三種不同的位寬配置下評估了 OPT 的性能：W4A16、W4A8 和 W4A4。此外，作者還開發(fā)了一種新的量化方案，W4A4KV、W4A3KV 和 W3A3KV，只對主要內(nèi)存的消耗 —— 鍵緩存和值緩存（Key/Value Cache）進(jìn)行量化。根據(jù)表格，可以得出以下觀察結(jié)果：一般而言，隨著激活量化位寬的減少，模型的性能會下降。但在大多數(shù)情況下，這種退化并不顯著。對于某些任務(wù)，性能下降不到 1%，甚至有所提高。

LLM 的內(nèi)存開銷來自三個方面：首先，設(shè)備內(nèi)存中權(quán)重的存儲，可以通過量化來顯著減少。其次，在網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行期間生成的臨時激活需要分配設(shè)備內(nèi)存。這些臨時激活可以在使用后釋放，因此不會對整體內(nèi)存使用造成顯著影響。最后，鍵和值緩存（Key/Value Cache）對預(yù)測后續(xù)單詞是必要的。當(dāng)批次大小和序列長度很大時，鍵和值緩存占用了大部分內(nèi)存。

表中展示了不同設(shè)置下的內(nèi)存使用情況，可以發(fā)現(xiàn)較低比特的激活可以顯著減少內(nèi)存使用，特別是在批次大小和序列長度較大的情況下。具體而言，當(dāng)批次大小為 64，序列長度為 8192 時，OPT-66b 下的 W4A4 配置相比 W4A16 配置節(jié)省了超過 900GB 的內(nèi)存。因此，采用 RPTQ 對激活量化可以極大地減少在長文本任務(wù)或大批量場景中的內(nèi)存壓力。