模型的量化

量化是什么

前文中我们提到，模型的推理过程是一个复杂函数的计算过程，这个计算一般以矩阵乘法为主，也就是涉及到了并行计算。一般来说，单核CPU可以进行的计算种类更多，速度更快，但一般都是单条计算；而显卡能进行的都是基础的并行计算，做矩阵乘法再好不过。如果把所有的矩阵都加载到显卡上，就会导致显卡显存的占用大量增加，尤其是LLM模型大小从7b、14b、34b到几百b不等，占用显存的大小就是惊人的数字，如何在减少运算量和显存占用的条件下，做到推理效果不下降太多呢？在这里需要引入浮点数和定点数的概念。

双精度浮点数：在PyTorch中用torch.float64表示，或者在其他语言中也称为double类型，在LLM训练中一般比较少用

 

全精度浮点数：在PyTorch中用torch.float32表示

 

低精度浮点数：在PyTorch中用torch.bfloat16和torch.float16表示。这两个浮点数的差别在上图中可以表示：

  1. bfloat16的小数部分较短，整数部分较长，这会有利于在训练中减少梯度爆炸的情况（即梯度累加值超过了最大值），但是这种数据类型是在N系列显卡Ampere系列才支持的，即30系列显卡。

  2. float16的小数部分较长，这意味着在精度控制上float16更好，但整数部分较短，比较容易梯度爆炸。

那么是否有更加减少显存占用和计算量的数值表达方式呢？那么可以考虑是否把浮点数转换为定点数（整数），整数计算更快更省显存，如果计算精度下降不大就很完美了。这种用整数计算代替浮点数计算的方法就是量化。

 

量化的基本原理是根据每个tensor的浮点型最大值和最小值，将其映射为一个固定范围的整形数值集合，比如[-127~127]。假设一个简单的公式：qweight=round(weight/scale)，其中qweight代表量化后权重，weight代表量化前权重，scale代表缩放因子，可以看到在进行缩放后为了将浮点型转换为整数过程中增加了round操作丢失了小数部分。在后续计算或反量化为浮点型时存在无法完全还原的情况，这就是精度损失。

 

按照量化发生的步骤区分，可以划分为PTQ（训练后量化，或离线量化）和QAT（训练感知型量化，或在线量化）。PTQ量化可以分为data-free和calibration两种，前者不使用数据集进行校准直接计算量化因子，后者会根据少量真实数据进行统计分析并对量化因子进行额外校准，但耗费的时间更长。QAT量化会先在待量化的算子上增加一个伪量化结构，并在训练时模拟量化过程并实时更新计算量化因子（类似反向传播过程）及原始权重。QAT由于较为复杂一般作为辅助措施存在，用于改进PTQ量化的技术手段。

 

按照量化方法可以划分为线性量化、非线性量化（如对数量化）等多种方式，目前较为常用的是线性量化。其中线性量化又可以按照对称性划分为对称量化和非对称量化，非对称量化为了解决weight分布不均匀问题，其在公式中增加了zeropoint项：qweight=round(weight/scale + zeropoint)，使稠密数据部分可以得到更宽泛的数值范围。

 

 

 

 

按照量化粒度划分可以分为逐层量化（每层使用一套量化因子）、逐组量化（在每层中按照group使用一套量化因子）、逐通道量化（按channel划分量化因子）等几种方式。

 

按照量化最大值的阈值区分，可以分为饱和量化和不饱和量化两种。不饱和量化按照浮点数最大值和量化后最大值的比例计算量化因子，由于原始weight的非均匀性会导致某些整形数值范围存在权重空缺。饱和量化会计算一个中间值以计算出量化因子，因此会舍弃一部分不重要数据，将重要数据尽量均匀的分布到量化数值范围内。

按照量化后的比特数划分，可以分为2比特量化，4比特量化，8比特量化等类型。

一般来说，PyTorch中量化模块的forward过程会先对量化权重进行反量化后使用浮点数进行计算。

 

下面介绍几种常用的量化库。

 

AutoGPTQ

该库需要引入额外的校准数据集进行量化校准。相比bitsandbytes量化精度较高，推理速度较快，但训练后不支持合并adapter。

# 例子来自于https://github.com/PanQiWei/AutoGPTQ
from modelscope import AutoTokenizer, snapshot_download
from auto_gptq import AutoGPTQForCausalLM, BaseQuantizeConfig
import logging
import shutil
import os

logging.basicConfig(
    format="%(asctime)s %(levelname)s [%(name)s] %(message)s", level=logging.INFO, datefmt="%Y-%m-%d %H:%M:%S"
)

pretrained_model_dir = snapshot_download("qwen/Qwen-1_8B-Chat")
quantized_model_dir = "qwen-1_8B-4bit"

shutil.rmtree(quantized_model_dir, ignore_errors=True)
shutil.copytree(pretrained_model_dir, quantized_model_dir)
for _file in os.listdir(quantized_model_dir):
    if ".safetensors" in _file or ".bin" in _file:
        os.remove(os.path.join(quantized_model_dir, _file))

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(pretrained_model_dir, use_fast=True, trust_remote_code=True)
examples = [
    tokenizer(
        "auto-gptq is an easy-to-use model quantization library with user-friendly apis, based on GPTQ algorithm."
    )
]

quantize_config = BaseQuantizeConfig(
    bits=4,  # quantize model to 4-bit
    group_size=128,  # it is recommended to set the value to 128
    desc_act=False,  # set to False can significantly speed up inference but the perplexity may slightly bad
)

# load un-quantized model, by default, the model will always be loaded into CPU memory
model = AutoGPTQForCausalLM.from_pretrained(pretrained_model_dir, quantize_config, trust_remote_code=True).to(0)

# quantize model, the examples should be list of dict whose keys can only be "input_ids" and "attention_mask"
model.quantize(examples)

# save quantized model
model.save_quantized(quantized_model_dir)

# save quantized model using safetensors
model.save_quantized(quantized_model_dir, use_safetensors=True)

# load quantized model to the first GPU
model = AutoGPTQForCausalLM.from_quantized(quantized_model_dir, device="cuda:0", trust_remote_code=True)
# inference with model.generate
print(tokenizer.decode(model.generate(**tokenizer("auto_gptq is", return_tensors="pt").to(model.device))[0]))

 

在SWIFT中，可以使用已经量化好的AutoGPTQ模型直接进行训练：

swift sft --model_id_or_path qwen/Qwen-7B-Chat-Int4 --model_revision master --sft_type lora --tuner_backend swift --template_type qwen --dtype fp16 --output_dir output --dataset leetcode-python-en --train_dataset_sample -1 --num_train_epochs 1 --max_length 512 --check_dataset_strategy warning --lora_rank 8 --lora_alpha 32 --lora_dropout_p 0.05 --lora_target_modules ALL --gradient_checkpointing true --batch_size 1 --weight_decay 0.01 --learning_rate 1e-4

 

上面的命令行中，qwen/Qwen-7B-Chat-Int4是已经量化好的Qwen-7B-Chat模型。

 

Bitsandbytes

bitsandbytes是一种data-free的量化库。该量化方法速度较快（因为其不需要数据校准），因此可以在模型加载时动态量化，且该方法训练速度较快，因此训练兼容性较好，一般用于QLoRA训练中，且训练后可以合并adapter。当由于其没有数据校准过程，因此精度较AutoGPTQ较低。

from modelscope import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
  'qwen/Qwen-1_8B-Chat',
  load_in_8bit=True,
  trust_remote_code=True)

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('qwen/Qwen-1_8B-Chat', trust_remote_code=True)

print(model(**tokenizer('how are you?', return_tensors='pt')))

GGML

GGML和GGUF是GGML C++推理库的两种量化格式，其中GGUF格式较新，可以保留模型版本等其他自定义信息。这两种格式也是PTQ形式的量化算法，但GGML和GGUF格式的量化算法更适配于CPU推理，因此在CPU上运行更快，而GPTQ量化对GPU更加友好，两者的推理精度相仿。因此，*.cpp类型使用了GGML推理库的推理框架都更适配于CPU推理。

 

AWQ

AWQ量化方式假设不是所有权重都影响模型性能，因此在量化过程中会跳过一部分重要权重以减轻量化过程中的精度损失。因此在和GPTQ量化保持类似推理速度的同时可以具备更好的精度。

 

目前VLLM对AWQ的支持较好, 可以考虑在推理加速时使用AWQ量化方式。

 

推理部署

推理及部署

训练后的模型会用于推理或者部署。推理即使用模型用输入获得输出的过程，部署是将模型发布到恒定运行的环境中推理的过程。一般来说，LLM的推理可以直接使用PyTorch代码、使用VLLM/XInference/FastChat等框架，也可以使用llama.cpp/chatglm.cpp/qwen.cpp等c++推理框架。

 

一些推理方法

  • Greedy Search 贪婪搜索方式。按照前面的讲解，模型会按照词表尺寸生成概率。贪婪方式会不断选择生成概率最大的token。该方法由于无脑选择了最大概率，因此模型会倾向于生成重复的文字，一般实际应用中很少使用

  • Beam Search 和贪婪方式的区别在于，beam search会选择概率最大的k个。在生成下一个token时，每个前序token都会生成k个，这样整体序列就有k^2个，从这些序列中选择组合概率最大的k个，并递归地执行下去。k在beam search算法中被称为beam_size

  • Sample 随机采样方式。按照词表每个token的概率采样一个token出来。这个方式多样性更强，是目前主流的生成方式。

重要推理超参数

  • dosample：布尔类型。是否使用随机采样方式运行推理，如果设置为False，则使用beamsearch方式

  • temperature：大于等于零的浮点数。公式为：

，从公式可以看出，如果T取值为0，则效果类似argmax，此时推理几乎没有随机性；取值为正无穷时接近于取平均。一般temperature取值介于[0, 1]之间。取值越高输出效果越随机。如果该问答只存在确定性答案，则T值设置为0。反之设置为大于0。

  • top_k：大于0的正整数。从k个概率最大的结果中进行采样。k越大多样性越强，越小确定性越强。一般设置为20~100之间。

    • 实际实验中可以先从100开始尝试，逐步降低top_k直到效果达到最佳。

  • top_p：大于0的浮点数。使所有被考虑的结果的概率和大于p值，p值越大多样性越强，越小确定性越强。一般设置0.7~0.95之间。

    • 实际实验中可以先从0.95开始降低，直到效果达到最佳。

    • topp比topk更有效，应优先调节这个参数。

  • repetition_penalty： 大于等于1.0的浮点数。如何惩罚重复token，默认1.0代表没有惩罚。

 

KVCache

上面我们讲过，自回归模型的推理是将新的token不断填入序列生成下一个token的过程。那么，前面token已经生成的中间计算结果是可以直接利用的。具体以Attention结构来说：

推理时的Q是单token tensor，但K和V都是包含了所有历史token tensor的长序列，因此KV是可以使用前序计算的中间结果的，这部分的缓存就是KVCache，其显存占用非常巨大。

 

VLLM

VLLM支持绝大多数LLM模型的推理加速。它使用如下的方案大幅提升推理速度：

 

  1. Continuous batching

  • 在实际推理过程中，一个批次多个句子的输入的token长度可能相差很大，最后生成的模型输出token长度相差也很大。在python朴素推理中，最短的序列会等待最长序列生成完成后一并返回，这意味着本来可以处理更多token的GPU算力在对齐过程中产生了浪费。continous batching的方式就是在每个句子序列输出结束后马上填充下一个句子的token，做到高效利用算力。

 

2. PagedAttention

  • 推理时的显存占用中，KVCache的碎片化和重复记录浪费了50%以上的显存。VLLM将现有输入token进行物理分块，使每块显存内部包含了固定长度的tokens。在进行Attention操作时，VLLM会从物理块中取出KVCache并计算。因此模型看到的逻辑块是连续的，但是物理块的地址可能并不连续。这和虚拟内存的思想非常相似。另外对于同一个句子生成多个回答的情况，VLLM会将不同的逻辑块映射为一个物理块，起到节省显存提高吞吐的作用。

 

值得注意的是，VLLM会默认将显卡的全部显存预先申请以提高缓存大小和推理速度，用户可以通过参数gpu_memory_utilization控制缓存大小。

 

首先安装VLLM：

pip install vllm

 

import os
os.environ['VLLM_USE_MODELSCOPE'] = 'True'
from vllm import LLM, SamplingParams
prompts = [
    "Hello, my name is",
    "The president of the United States is",
    "The capital of France is",
    "The future of AI is",
]
sampling_params = SamplingParams(temperature=0.8, top_p=0.95)
llm = LLM(model="qwen/Qwen-1_8B", trust_remote_code=True)
outputs = llm.generate(prompts, sampling_params)

# Print the outputs.
for output in outputs:
    prompt = output.prompt
    generated_text = output.outputs[0].text
    print(f"Prompt: {prompt!r}, Generated text: {generated_text!r}")

 

注意，截止到本文档编写完成，VLLM对Chat模型的推理支持（模板和结束符）存在问题，在实际进行部署时请考虑使用SWIFT或者FastChat。

LLM的generate方法支持直接输入拼接好的tokens(prompttokenids参数，此时不要传入prompts参数)，所以外部可以按照自己的模板进行拼接后传入VLLM，

在前文量化章节中我们讲解了AWQ量化，VLLM直接支持传入量化后的模型进行推理：

from vllm import LLM, SamplingParams
import os
import torch
os.environ['VLLM_USE_MODELSCOPE'] = 'True'

# Sample prompts.
prompts = [
    "Hello, my name is",
    "The president of the United States is",
    "The capital of France is",
    "The future of AI is",
]
# Create a sampling params object.
sampling_params = SamplingParams(temperature=0.8, top_p=0.95)

# Create an LLM.
llm = LLM(model="ticoAg/Qwen-1_8B-Chat-Int4-awq", quantization="AWQ", dtype=torch.float16, trust_remote_code=True)
# Generate texts from the prompts. The output is a list of RequestOutput objects
# that contain the prompt, generated text, and other information.
outputs = llm.generate(prompts, sampling_params)
# Print the outputs.
for output in outputs:
    prompt = output.prompt
    generated_text = output.outputs[0].text
    print(f"Prompt: {prompt!r}, Generated text: {generated_text!r}")

 

VLLM官方文档：Quickstart — vLLM

 

SWIFT

在SWIFT中，我们支持了VLLM的推理加速手段。

pip install ms-swift[llm] openai

 

只需要运行下面的命令就可以使用VLLM加速推理：

swift infer --model_id_or_path qwen/Qwen-1_8B-Chat --max_new_tokens 128 --temperature 0.3 --top_p 0.7 --repetition_penalty 1.05 --do_sample true

 

也支持在部署中使用VLLM：

swift deploy --model_id_or_path qwen/Qwen-1_8B-Chat --max_new_tokens 128 --temperature 0.3 --top_p 0.7 --repetition_penalty 1.05 --do_sample true

 

调用：

from openai import OpenAI
client = OpenAI(
    api_key='EMPTY',
    base_url='http://localhost:8000/v1',
)
model_type = client.models.list().data[0].id
print(f'model_type: {model_type}')

query = '浙江的省会在哪里?'
messages = [{
    'role': 'user',
    'content': query
}]
resp = client.chat.completions.create(
    model=model_type,
    messages=messages,
    seed=42)
response = resp.choices[0].message.content
print(f'query: {query}')
print(f'response: {response}')

# 流式
messages.append({'role': 'assistant', 'content': response})
query = '这有什么好吃的?'
messages.append({'role': 'user', 'content': query})
stream_resp = client.chat.completions.create(
    model=model_type,
    messages=messages,
    stream=True,
    seed=42)

print(f'query: {query}')
print('response: ', end='')
for chunk in stream_resp:
    print(chunk.choices[0].delta.content, end='', flush=True)
print()

"""Out[0]
model_type: qwen-7b-chat
query: 浙江的省会在哪里?
response: 浙江省的省会是杭州市。
query: 这有什么好吃的?
response: 杭州有许多美食，例如西湖醋鱼、东坡肉、龙井虾仁、叫化童子鸡等。此外，杭州还有许多特色小吃，如西湖藕粉、杭州小笼包、杭州油条等。
"""

 

llama.cpp

llama.cpp是使用c++语言编写的对llama系列模型进行高效推理或量化推理的开源库。该库使用了ggml底层计算库进行推理。在使用之前需要额外将python的weights转为ggml格式或gguf格式方可使用。和llama.cpp类似，还有兼容ChatGLM模型的chatglm.cpp和兼容qwen模型的qwen.cpp和mistral的mistral.cpp。

 

安装依赖：

pip install modelscope
git clone --recursive https://github.com/QwenLM/qwen.cpp && cd qwen.cpp
cmake -B build
cmake --build build -j --config Release

 

下载模型：

from modelscope import snapshot_download
print(snapshot_download('qwen/Qwen-1_8B-Chat'))
# /mnt/workspace/.cache/modelscope/qwen/Qwen-1_8B-Chat

 

将原始模型转换为ggml支持的格式：

python3 qwen_cpp/convert.py -i /mnt/workspace/.cache/modelscope/qwen/Qwen-1_8B-Chat -t q4_0 -o qwen1_8b-ggml.bin
./build/bin/main -m qwen1_8b-ggml.bin --tiktoken /mnt/workspace/.cache/modelscope/qwen/Qwen-1_8B-Chat/qwen.tiktoken -p 你好
# 你好！有什么我可以帮助你的吗？

 

量化章节中我们介绍，GGML库适合于CPU运行，因此推荐用户在CPU环境中或边缘计算中考虑cpp库进行推理。

 

FastChat

FastChat是一个开源推理库，侧重于模型的分布式部署实现，并提供了OpenAI样式的RESTFul API。

pip3 install "fschat[model_worker,webui]"
python3 -m fastchat.serve.controller

在新的terminal中启动：

FASTCHAT_USE_MODELSCOPE=true python3 -m fastchat.serve.model_worker --model-path qwen/Qwen-1_8B-Chat --revision v1.0.0

 

之后在新的terminal中可以运行界面进行推理:

python3 -m fastchat.serve.gradio_web_server

 

 

预告：

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