大型语言模型（LLM）的小型化研究进展

2024年，大型语言模型（LLM）的小型化研究取得了显著进展，主要采用以下几种方法实现：

1. 模型融合：通过将多个模型或检查点合并为一个单一模型，减少资源消耗并提升整体性能。例如，《WARM: On the Benefits of Weight Averaged Reward Models》这篇论文通过权重平均多个微调后的奖励模型，有效缓解了LLM中的奖励骇入问题，提升了RLHF对齐步骤的稳健性。

2. 混合专家模型（Mixture of Experts, MoE）：使用多个小型专家模块构建模型，如Mixtral 8x7B。这类模型参数效率高，可达到或超过更大模型的效果。

3. 小型LLM的开发：研究者也在探索构建更小的开源LLM，以降低训练成本、提高可及性。如TinyLlama只有1.1B参数且完全开源。

4. 参数高效的LLM优化技术：如代理调优（Proxy Tuning）。它可使用小型模型提升大型模型，无需改动大模型权重。

5. 知识蒸馏：通过将一个大型的教师模型的知识转移到一个小型的学生模型中，来实现模型的小型化。这种方法可以在几乎不降低精度的情况下，将模型的参数量大幅度减小。

6. 剪枝：通过删除权重矩阵的一些行和列，降低网络的嵌入维数，同时保持模型性能。例如，微软的SliceGPT方法通过删除权重矩阵中的行和列来降低网络的嵌入维数，同时保持模型性能。

7. 量化：通过将模型中的参数和激活值转换为低精度的表示形式，以减少模型的存储空间和计算量，从而实现模型的小型化。

8. 结构化剪枝与知识蒸馏相结合：英伟达研究表明，这种方法可以从初始较大的模型中逐步获得较小的语言模型。例如，将Llama 3.1 8B模型提炼为Llama-3.1-Minitron 4B，其表现优于类似大小的最先进的开源模型。

这些方法各有优势和适用场景，研究者可以根据具体需求和资源限制选择合适的小型化策略。通过这些技术，可以在保持模型性能的同时，实现模型的小型化和加速，使其更适合在各种设备上部署。

量化

量化技术在解决大模型小型化方面发挥着重要作用。通过将模型中的参数和激活值从浮点数（如32位的FP32）转换为低精度的表示形式（如8位的INT8），量化可以显著减少模型的存储空间和计算量，从而实现模型的小型化。这种方法不仅降低了模型对算力的需求，还减少了内存需求，并压缩了存储空间，使得大模型能够在资源受限的设备上高效运行。

微软亚洲研究院在这一领域取得了显著成果，他们推出的数据编译器Ladder和算法T-MAC，使得只支持对称精度计算的硬件能够直接运行混合精度矩阵乘法。测试结果表明，Ladder在支持GPU原本不支持的自定义数据类型方面，最高提速可达14.6倍；T-MAC在搭载了最新高通Snapdragon X Elite芯片组的Surface AI PC上，使CPU上运行的大模型吞吐率比专用加速器NPU快两倍。

此外，量化技术还可以提高模型的计算效率和性能。例如，通过量化，模型的权重参数可以压缩为原来的1/4，理论上可以获得最大4倍的性能提升。实际加速效果依赖于硬件支持，例如NVIDIA A100提供的Tensor Core对INT8、INT4和INT1运算都有运算单元进行加速。

量化技术的应用不仅限于提高效率，它还可以降低模型的存储和传输成本，加速模型的部署和迭代，提高模型的灵活性和适用性。随着硬件的发展和量化技术的进步，量化模型的应用将越来越广泛，推动大模型在更广泛场景中的应用。

结构化剪枝与知识蒸馏相结合

英伟达的研究团队通过结合结构化剪枝和知识蒸馏的方法，成功地将较大的Llama 3.1 8B模型压缩成了更小的Llama-3.1-Minitron 4B模型。这一过程不仅减少了模型的参数数量，还保持了模型的性能，甚至在某些方面有所提升。具体来说，这项技术的优势包括：

1. 性能提升：Llama-3.1-Minitron 4B模型在多任务语言理解（MMLU）等复杂任务上的表现优于其他同等规模的模型，MMLU分数提高了16%。

2. 训练数据和成本的减少：通过这种方法，训练新模型所需的令牌数量减少了40倍，同时训练一系列模型的成本节省高达1.8倍。

3. 推理性能的增强：使用NVIDIA TensorRT-LLM工具包优化后，Llama-3.1-Minitron 4B模型在各种情况下的FP8精度吞吐量是原始Llama 3.1 8B模型的2.7倍。

4. 多维度剪枝策略：英伟达的研究详细探讨了如何在多个维度上进行剪枝，包括神经元、注意力头、嵌入维度和模型深度，并结合知识蒸馏优化每一个步骤。

5. 迭代的剪枝和知识蒸馏策略：研究发现，逐步剪枝并在每一步进行蒸馏训练，能够更有效地保持模型的原始性能，特别适用于需要高压缩率的场景。

6. 实际应用潜力：压缩后的模型可以更高效地在资源有限的设备上运行，并能够提供近似于大模型的性能，尤其是在计算资源有限的设备上，如移动设备、边缘计算设备。

这项研究展示了如何通过技术创新来推动大语言模型的发展，使AI训练变得更加高效和经济，同时保持或甚至提升模型的性能。

TinyLlama

TinyLlama是一个小型但功能强大的开源语言模型，由新加坡科技设计大学（SUTD）的研究者开发。这个模型具有以下特点：

1. 模型参数：TinyLlama的参数量为1.1亿（1.1B），这使得它在计算和内存需求上相对较小，适用于资源受限的环境。

2. 预训练数据：TinyLlama在大约3万亿个token上进行了预训练，这是一个相当大的数据集，有助于模型学习丰富的语言特征。

3. 架构和分词器：TinyLlama基于Llama 2架构和分词器（tokenizer），这意味着它可以在许多基于Llama的开源项目中即插即用。

4. 训练效率：研究者们使用16块A100-40G的GPU，在90天内完成了TinyLlama的训练。此外，TinyLlama还采用了多种优化方法，如flash attention 2、FSDP（Fully Sharded Data Parallel）、xFormers等，提高了训练的效率和吞吐量。

5. 性能：尽管规模相对较小，但TinyLlama在一系列下游任务中表现出色，性能显著优于同等大小的现有开源语言模型，如OPT-1.3B和Pythia1.4B。

6. 开源：TinyLlama的所有模型检查点和代码都在GitHub上公开提供，这使得研究人员和开发者可以轻松地访问和使用这个模型。

7. 应用场景：TinyLlama适用于多种应用场景，包括辅助大型模型进行推测性解码、在边缘设备上运行（如离线实时机器翻译）、在游戏中实现实时对话生成等。

8. 性能比较：在常识推理任务中，TinyLlama展现了出色的表现，并在多个基准测试中超越了Pythia-1.4B。

TinyLlama的这些特点使其成为一个有吸引力的选择，特别是对于那些寻求在资源受限的环境中部署高效语言模型的研究人员和开发者。

剪枝

剪枝是一种模型压缩技术，它通过去除神经网络中的冗余参数（如权重）来减小模型的大小和计算量，同时尽量保持模型的性能。剪枝可以分为两大类：结构化剪枝和非结构化剪枝。

1. 结构化剪枝（Structured Pruning）：

   • 这种剪枝方式按整个结构单元进行剪枝，例如，对整个神经元、通道（channel）、或层（layer）进行剪枝，来简化模型。
   • 结构化剪枝的优点在于它保留了整体的网络结构，使得剪枝后的模型更容易在现有的硬件和软件上实现加速。
   • 例如，LLM-Pruner 就是一种结构化剪枝方法，它通过评估网络参数的重要性来移除冗余的组，从而降低模型的参数量。

2. 非结构化剪枝（Unstructured Pruning）：

   • 非结构化剪枝则是在权重矩阵中随机地对独立权重或者神经元链接进行剪枝。
   • 这种方法的剪枝算法简单，模型压缩比高，但剪枝后的权重矩阵稀疏，没有专用硬件难以实现压缩和加速的效果。

剪枝的过程通常包括以下几个步骤：

1. 训练一个初始模型。
2. 对模型进行剪枝，移除一定比例的参数。
3. 对剪枝后的模型进行微调，以恢复由于剪枝可能造成的性能损失。

剪枝的可行性基于这样的观察：并不是所有的参数都在模型中发挥作用，部分参数作用有限、表达冗余，甚至可能会降低模型的性能。有研究表明，很多的深度神经网络仅仅使用很少一部分（如5%）的权值就足以预测剩余的权值，也就是说，仅仅训练一小部分原来的权值参数就有可能达到和原来网络相近甚至超过原来网络的性能。

在实际应用中，剪枝可以帮助减少模型的存储空间需求，加速模型的训练和推理过程，使得模型更适合部署在资源受限的设备上，如移动设备或嵌入式系统。此外，剪枝还可以与量化、知识蒸馏等其他模型压缩技术结合使用，以进一步优化模型的性能和效率。