作者：英特爾公司 陸彤、何欣、郭恒、程文華、王暢、王夢妮、沈海豪

本文介紹了可提升大語言模型的訓練后量化表現的增強型 SmoothQuant 技術，說明了這項技術的用法，并證明了其在準確率方面的優勢。此方法已整合至英特爾? Neural Compressor⁽¹⁾ 中。英特爾? Neural Compressor 是一個包含量化、剪枝（稀疏性）、蒸餾（知識提煉）和神經架構搜索等多種常用模型壓縮技術的開源 Python 庫。目前，諸如 TensorFlow、英特爾? Extension for TensorFlow⁽²⁾ 、PyTorch、英特爾? Extension for PyTorch⁽³⁾ 、ONNX Runtime 和 MXNet等主流框架，都能與之兼容。

英特爾? Neural Compressor 已經支持多款英特爾? 架構的硬件，比如英特爾? 至強? 可擴展處理器⁽⁴⁾ 、英特爾? 至強? CPU Max 系列⁽⁵⁾ 、英特爾? 數據中心 GPU Flex 系列⁽⁶⁾ 和英特爾? 數據中心 GPU Max 系列⁽⁷⁾ 。本文涉及的實驗基于第四代英特? 至強? 可擴展處理器⁽⁸⁾ 進行。

大語言模型

大語言模型 (Large Language Model, LLM) 需基于海量數據集進行訓練，可能擁有數十億權重參數。其先進的網絡結構和龐大的參數量，使它們能夠很好地應對自然語言本身的復雜性。完成訓練后的大語言模型，可針對各種下游的自然語言處理 (NLP) 和自然語言生成 (NLG) 任務進行調優，讓其更適合對話式聊天機器人（如 ChatGPT）、機器翻譯、文本分類、欺詐檢測和情感分析等任務場景。

大語言模型部署面臨的挑戰

大語言模型在執行自然語言處理和自然語言生成任務方面表現出色，但其訓練和部署頗為復雜，主要面臨以下挑戰：

1. AI 與內存墻⁽⁹⁾ 瓶頸問題：算力每兩年提高 3.1 倍，內存帶寬卻只提高 1.4 倍；
2. 網絡帶寬挑戰：訓練大語言模型需要采用分布式系統，這對網絡帶寬提出了較高要求；
3. 系統資源有限：訓練后的模型往往會部署在算力和內存資源均有限的系統上。

因此，采用訓練后量化的方法來為大語言模型瘦身，對于實現低時延推理至關重要。

大語言模型的量化

量化是一種常見的壓縮操作，可以減少模型占用的內存空間，提高推理性能。采用量化方法可以降低大語言模型部署的難度。具體來說，量化是將浮點矩陣轉換為整數矩陣：

其中 X_fp32、S 和 Z 分別為輸入矩陣、比例因子和整數零點。

有關每通道 (per-channel) 量化策略雖然可能會減少量化損失，但不能用于激活值量化的原因，請參看 SmoothQuant 相關文檔⁽¹⁰⁾ 。不過，激活值量化誤差損失卻是導致模型量化準確率下降的重要因素。為此，人們提出了很多方法來降低激活值量化損失，例如：SPIQ⁽¹¹⁾ 、Outlier Suppression⁽¹²⁾ 和SmoothQuant⁽¹³⁾ 。這三種方法思路相似，即把激活值量化的難度轉移到權重量化上，只是三者在轉移難度的多少上有所不同。

增強型 SmoothQuant

SmoothQuant 引入了一個超參數 α 作為平滑因子來計算每個通道的量化比例因子，并平衡激活值和權重的量化難度。

其中 j 是輸入通道索引。

對于OPT 和 BLOOM 等大多數模型來說，α=0.5 是一個能夠較好實現權重和激活值量化難度分割的平衡值。模型的激活異常值越大，就越需要使用更大的 α 值來將更多的量化難度轉移到權重上。

原始的 SmoothQuant 旨在通過針對整個模型使用一個固定值 α 來分割權重和激活值的量化難度。然而，由于激活異常值的分布不僅在不同模型之間存在差異，而且在同一模型的不同層之間也不盡相同，因此，本文推薦使用英特爾? Neural Compressor 的自動調優能力，逐層獲取最佳 α 值。

相關方法包括以下五個主要步驟（偽代碼如下所示）：

1. 通過特殊的回調函數 register_forward_hook 捕獲 (hook) 模型各層的輸入和輸出值。
2. 根據用戶定義的 α 范圍和步長生成一個 α 值列表。
3. 根據給定的 α 值重新計算平滑因子并調整參數（權重值和激活值）。
4. 對權重執行每通道量化與反量化 (quantization_dequantization)，對輸入值執行每張量 (per-tensor) 量化與反量化，以預測與給定 α 值對應的每層輸出值。
5. 計算相對實際輸出值的均方損失，將調整后的參數恢復回來，并保存每層的最佳 α 值。

本文提出的方法支持用多個標準（如最小值、最大值和平均值）來確定 Transformer 塊的輸入層歸一化 (LayerNorm) 操作的 α 值。實驗發現，將 α 范圍設為 [0.3, 0.7]，步長設為 0.05，對大多數模型來說都能達到很好的平衡。

這一方法有兩個顯著特點：一是全自動化，二是比原始方法支持的融合模式多。

下圖提供了在 BLOOM-1b7 模型上執行 SmoothQuant α 值自動調優的樣例代碼：

啟用增強型 SmoothQuant 的樣例代碼

用戶只需傳遞一個模型名稱 (model_name) 和一個數據加載器。值得注意的是，模型分析主要依靠的是 Torch JIT。用戶可以在加載 Hugging Face 模型⁽¹⁴⁾ 時將 torchscript 設置為 True，或將 return_dict 設置為 False。更多信息請參閱英特爾? Neural Compressor 文檔⁽¹⁰⁾ 。

結果

本文提出的增強型 SmoothQuant 的主要優勢在于提高了準確率。

經過對多種主流大語言模型的評估，具備自動調優能力的 INT8 SmoothQuant 最后一個詞元 (last-token) 的預測準確率要高于原始 INT8 SmoothQuant 和 FP32 基線方法。詳見下圖：

FP32 基線方法、INT8（啟用和不啟用 SmoothQuant）以及 INT8（啟用本文提出的增強型 SmoothQuant）的準確率對比

從上圖可以看出，在 OPT-1.3b 和 BLOOM-1b7 模型上，本文提出的增強型 SmoothQuant 的準確率比默認的 SmoothQuant 分別高 5.4% 和 1.6%。量化后的模型也縮小到 FP32 模型的四分之一，大大減少了內存占用空間，從而有效地提升大模型在英特爾? 平臺上的推理性能。

更全面的結果請見GitHub 存儲庫⁽¹⁰⁾ 。同時，也歡迎您創建拉取請求或就GitHub 問題⁽¹⁵⁾ 發表評論。期待聽到您的反饋意見和建議。

作者：

英特爾公司人工智能資深架構師沈海豪、英特爾公司人工智能資深軟件工程師程文華、英特爾公司人工智能軟件工程師陸彤、何欣、郭恒、王暢、王夢妮，他們都在從事模型量化及壓縮的研究與優化工作。

注釋：

1、英特爾? Neural Compressor

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/developer/tools/oneapi/neural-compressor.html

2、英特爾? Extension for TensorFlow

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/developer/tools/oneapi/optimization-for-tensorflow.html

3、英特爾? Extension for PyTorch

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/developer/tools/oneapi/optimization-for-pytorch.html

4、英特爾? 至強? 可擴展處理器

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/processors/xeon/scalable.html

5、英特爾? 至強? CPU Max 系列

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/processors/xeon/max-series.html

6、英特爾? 數據中心 GPU Flex 系列

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/discrete-gpus/data-center-gpu/flex-series.html

7、英特爾? 數據中心 GPU Max 系列

https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/discrete-gpus/data-center-gpu/max-series.html

8、第四代英特? 至強? 可擴展處理器

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/events/accelerate-with-xeon.html

9、AI 與內存墻

https://medium.com/riselab/ai-and-memory-wall-2cb4265cb0b8

10、SmoothQuant 相關文檔 / 英特爾? Neural Compressor 文檔 / GitHub 存儲庫

https://github.com/intel/neural-compressor/blob/master/docs/source/smooth_quant.md

11、SPIQ

https://arxiv.org/abs/2203.14642

12、Outlier Suppression

https://arxiv.org/abs/2209.13325

13、 SmoothQuant

https://arxiv.org/abs/2211.10438

14、Hugging Face 模型

https://huggingface.co/models

15、GitHub 問題

https://github.com/intel/neural-compressor/issues