人工智能|大模型 —— 量化 —— 一文搞懂大模型量化技术：GGUF、GPTQ、AWQ

目前关于大模型量化技术的文章层出不穷但对其理论部分的深入探讨却相对较少。本文将对大模型量化技术进行系统性的介绍并重点聚焦于理论层面的深入解析。一、大模型量化基础大模型量化的核心在于将模型参数的精度从较高的位宽bit-widths例如 32 位浮点数降低到较低的位宽bit-widths例如 8 位整数。1.1 对称量化 Symmetric Quantization在对称量化过程中原本浮点数的值域会被映射到量化空间quantized space中一个以零为中心的对称区间量化前后的值域都是围绕零点对称的。这就意味着在浮点数中表示零的值在量化空间中仍然正好为零。对称量化symmetric quantization有一种经典方法是绝对最大值absmaxabsolute maximum量化。具体操作时我们会从一组数值中找出最大的绝对值 以此作为线性映射的范围。由于这是一种以零为中心的线性映射linear mapping所以计算公式相对简单。计算方式如下为了恢复原始的 FP32 值我们可以使用之前计算出的比例因子s来对量化后的数值进行反量化dequantize。先量化后再反量化以恢复原始值的过程如下所示我们可以观察到某些值如 3.08 和 3.02 在量化到 INT8 后都被分配了相同的值 36。当这些值反量化dequantize回 FP32 时会丢失一些精度变得无法再区分。这种现象通常被称为量化误差quantization error我们可以通过比较原始值original values和反量化值dequantized values之间的差值来计算这个误差。1.2 非对称量化 asymmetric quantization与对称量化symmetric around不同非对称量化并不是以零为中心对称的。它将浮点数范围中的最小值β和最大值α映射到量化范围quantized range的最小值和最大值。我们在此要探讨的方法称为零点量化。我们注意到 0 的位置发生了移动这正是它被称为“非对称量化”的原因。在区间 [-7.59, 10.8] 中最小值和最大值与零点之间的距离是不相等的。由于零点位置的偏移我们需要计算 INT8 范围的零点来进行线性映射linear mapping。与之前一样我们还需要计算一个比例因子s但这次要使用 INT8 范围 [-128, 127] 的两个端点之间的差值。反量化过程则相对比较直接1.3 GGUF 量化GGUF 通常使用分组量化Group-wise Quantization比如将权重矩阵分成多个小块每个块单独进行量化和缩放。例如Q4_0 量化可能将权重分成 32 个元素一组每个组使用 4 位整数存储并配有一个缩放因子scale。好的以下是一个针对 **单权重矩阵 W** 的 **GGUF量化Q4_0类型** 的具体数值计算示例展示如何从原始FP32矩阵转换为4位量化格式。假设原始权重矩阵为W [ [0.28, -1.32, 0.66, 2.10], [0.91, -0.45, -0.72, 1.80], [-0.34, 1.22, -0.89, -1.50], [0.15, -0.60, 0.33, 0.92] ]步骤 1分组GroupingGGUF的 Q4_0 量化将矩阵按行分组默认每组 32 个元素但此处简化为 4x4 矩阵每组 4 元素Group 1: [0.28, -1.32, 0.66, 2.10] # 第一行 Group 2: [0.91, -0.45, -0.72, 1.80] # 第二行 Group 3: [-0.34, 1.22, -0.89, -1.50] # 第三行 Group 4: [0.15, -0.60, 0.33, 0.92] # 第四行步骤2计算缩放因子Scale和零点Zero Point对每个分组分别计算缩放因子scale计算零点zero point步骤 3使用对称量化或非对称量化对每一组进行量化二、GPTQ前面介绍的量化方法都是不考虑量化误差的因此效果往往比较差。接下来我们介绍下后训练量化方法考虑量化误差的情况下提升量化效果。2.1 OBSOptimal Brain Surgeon[1]OBS 认为参数之间的独立性实际上是一种剪枝方法用于降低模型复杂度提高泛化能力。如果将 OBS 剪枝的思路用在大模型量化2.2 OBCOptimal Brain Compression[2]2.2.1 OBS 用于分层剪枝或量化前面的 OBS 是对整个神经网络进行剪枝而 OBC 是对神经网络模型分层剪枝或者量化。首先将层剪枝问题抽象为优化问题。2.2.2 ExactOBSimport numpy as np def remove_row_col_hinv(Hinv, p): 使用 Lemma 1 更新 H^{-1}删掉第 p 行和第 p 列。 Hinv: 原始 H^{-1} 矩阵 (对称正定) p: 要移除的索引 Hinv Hinv.copy() hpp Hinv[p, p] hp Hinv[:, p].reshape(-1, 1) # 第 p 列列向量 update (hp hp.T) / hpp Hinv_updated Hinv - update # 删除第 p 行和第 p 列 mask np.ones(Hinv.shape[0], dtypebool) mask[p] False return Hinv_updated[np.ix_(mask, mask)] np.random.seed(0) # 构造一个 3x5 的输入矩阵 X X np.random.randn(3, 5) # 构造一个 3x3 正定 Hessian 矩阵 H 2XX^T H 2 * X X.T # 计算其逆 Hinv np.linalg.inv(H) print(原始 H^{-1}\n, Hinv) # 用 Lemma 1 计算删除 X 中第 1 行第 1 列后的 Hessian 矩阵的逆矩阵 Hinv_removed remove_row_col_hinv(Hinv, p1) print(\n删除第1行/列后的 H^{-1}\n, Hinv_removed) # 验证删掉 H 的第1行和列后重新求逆看看是否一样 H_removed H[np.ix_([0, 2], [0, 2])] Hinv_true np.linalg.inv(H_removed) print(\n直接计算新 H 的逆\n, Hinv_true) # 比较两个结果是否一致 print(\n两种方式是否接近, np.allclose(Hinv_removed, Hinv_true))下面是执行上面代码的输出结果可以看到结果完全一致。2.3 GPTQ一种新的后训练量化方法GPTQ 作者提出了一个经验发现对于大规模、参数众多的层即使不使用贪心策略只要采用任意固定顺序来量化每一行中的权重最终的误差几乎和贪心顺序一致。也就是说原来每一行都维护自己的“最优量化顺序”现在所有行都使用相同的顺序。虽然理论上不是局部最优但整体误差变化非常小尤其在参数数量大的时候几乎无影响。之所以可行主要有两个原因大模型冗余性高由于大模型极度冗余单个权重引入的误差影响微小统一顺序导致的子最优选择不会积累为显著性能损失。量化误差可补偿GPTQ 中使用的 Hessian-based 误差补偿机制会在每一步自动对未量化权重进行调整进一步抑制误差传播。统一顺序量化带来的优化空间巨大这项改进使得参数矩阵每一行的量化可以做并行的矩阵计算则所有行共享一个逆 Hessian 矩阵对 Hessian 的逆矩阵只需更新一次下面计算顺序量化的时间复杂度为了提升效率GPTQ 引入了Lazy Batch-Updates技术该技术通过分块 (batching) 的方式减少内存访问次数从而显著提高计算效率。三、AWQ虽然前面的 GPTQ 通过校准数据最小化量化误差提升量化效果。但是可能过拟合校准集导致模型在分布外域上的性能下降。而AWQActivation-aware Weight Quantization不进行回归或重建仅通过统计校准集中的激活值来选择关键权重并进行缩放。种基于激活分布的策略不会直接修改模型权重因此可以更好地保留模型的原始特性和知识。AWQ 具体方法通过激活分布按大小选择 1% 关键权重通过缩放关键权重降低量化误差3.1 什么是AWQ现有方法的局限性低比特量化被认为是解决这一问题的方法之一通过降低模型权重的精度来减小内存占用并加速推理。然而量化感知训练QAT需要重新训练模型计算成本极高不适用于大规模LLMs后训练量化PTQ无需重新训练但在低比特如4-bit情况下会显著降低模型性能。现有工作的问题GPTQ 等方法尝试利用二阶信息来补偿量化误差但这些方法可能过拟合校准集导致模型在分布外的领域或模态上性能下降混合精度量化虽然能提升性能但硬件效率低解决方案AWQActivation-aware Weight Quantization核心思想通过观察发现并非所有权重对模型性能的重要性相同保护模型中仅1% 关键权重salient weights可以显著降低量化误差关键权重的选择应基于激活分布activation distribution而不是权重本身的分布3.2 保护 1% 关键权重Salient Weights作者提出并非所有权重对模型性能的贡献相同。模型中仅有小部分权重约0.1%-1%对性能至关重要这些权重被称为关键权重salient weights。量化这些关键权重会对性能产生显著影响而量化其他权重的影响较小。如果对关键权重进行保护即避免量化或降低量化误差可以显著减少模型性能下降。例如在 OPT-6.7B 模型中困惑度PPL通过保护关键权重从43.2降至13.0如图6(a)、(b)所示。如何识别关键权重传统方法的局限性过去的研究通常通过权重的大小magnitude或 L2 范数来判断权重的重要性然而实验表明基于权重本身选择关键权重的效果有限无法显著改善模型性能激活感知方法Activation Awareness本文提出了一项新的观察权重的重要性更多地体现在其对应的激活分布activation distribution上而非权重本身的大小。核心思想激活值较大的通道更重要因为这类通道处理了更多关键特征对应的权重通道应被视为关键权重优先保护以减少量化误差通过激活分布选择关键权重比通过权重本身分布更有效实验验证目标探讨保留少量关键权重salient weights为 FP16 格式对低比特量化模型性能的提升效果量化设置INT3 量化权重为3-bit数据指标通过困惑度 PPL 衡量模型性能PPL 值越低表示模型性能越好对比方法RTNRound-to-nearest直接采用四舍五入量化作为基线基于激活分布保留关键权重FP16% (based on act.)基于权重分布保留关键权重FP16% (based on W)随机保留权重FP16% (random)实验结果对比从上面的实验结果来看基于激活分布保留关键权重的效果最好而保留 1% 激活值和保留 3% 激活值的效果相差不大。3.3 通过缩放关键权重降低量化误差3.3.1 分析量化误差量化误差的来源实验结果如下3.3.2 搜索缩放因子这一部分介绍了如何通过搜索方法为关键权重通道找到最佳的缩放因子 以最小化量化误差并优化模型性能。搜索缩放因子是 AWQ 方法的核心之一通过缩放关键权重通道的值可以减少量化误差同时避免对非关键权重通道引入过多的误差。3.4 实验下图是在 Llama 上的实验结果而将 AWQ 和 GPTQ 相结合可以进一步提升效果。下图显示了 AWQ 需要更少的校验集而且对不同分布的校验集更鲁棒。