4090单卡挑战DeepSeek r1 671b：尝试量化后的心得的分享

引言：

最近，DeepSeek-R1在完全开源的背景下，与OpenAI的O1推理模型展开了激烈竞争，引发了广泛关注。为了让更多本地用户能够运行DeepSeek，我们成功将R1 671B参数模型从720GB压缩至131GB，减少了80%，同时保持了强大的功能。

通过研究 DeepSeek R1 的架构，我们设法选择性地将某些层量化为更高的位（如 4 位），并将大多数 MoE 层（如 GPT-4 中使用的层）保留为 1.5 位（参见Unsloth 动态 4 位).天真地量化所有层会完全破坏模型，导致无限循环和乱码输出。动态量化解决了这个问题。 

1.58 位量化应该适合 160GB 的 VRAM 以进行快速推理（2x H100 80GB），每秒达到大约 140 个令牌。您不需要 VRAM （GPU） 来运行 1.58 位 R1，只需 20GB 的 RAM （CPU） 就可以工作，但可能会很慢。为了获得最佳性能，我们建议 VRAM + RAM 的总和至少为 80GB+。

1：使用动态量化版本

使用重要性矩阵来校准量化过程（通过 llama.cpp 的 imatrix）以允许较低位的表示。

MoE Bits	Disk Size	Type	Quality	Link	Down_proj
1.58-bit	131GB	IQ1_S	Fair	Link	2.06/1.56bit

这些指令适用于R1蒸馏版和非蒸馏版模型，但请注意，它们对硬件的要求不同。

2. 基准和消融

为了测试所有量化模型，我们没有依赖通用基准，而是让DeepSeek r1创建一个有3次尝试机会的Flappy Bird游戏（pass@3），并根据10项标准对其进行评分（例如使用随机颜色、随机形状、是否能在Python解释器中运行等）。我们使用了种子3407、3408和3409，并采用了建议的温度值0.6~0.7之间

3:原创和量化后的对比数据

我们惊讶地发现，我们的动态1.58位版本似乎仍然能够生成有效的输出！ 然而，如果你不使用我们的动态1.58位版本，而是简单地量化所有层，你将会得到无限重复的内容，比如在种子3407中：“Colours with dark Colours with dark Colours with dark Colours with dark Colours with dark”，或者在种子3408中：“Set up the Pygame's Pygame display with a Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's Pygame's”。 同样地，如果你不使用我们的动态版本，而是将所有层量化为1.75比特（149GB），无限重复会停止，但结果完全错误。

Model Size	Dynamic Quant	Model Size	Basic Quant
131GB	6.92	133GB	0

1.58比特的动态量化有时会每8000个token产生1个错误的token，我们需要将其注释掉。使用min_p = 0.1或0.05应该可以缓解1.58比特版本生成单个错误token的问题。

4.利用DeepSeek R1的架构

     在我们之前对DeepSeek V3模型的分析中，该模型使用DeepSeek r1进行合成数据生成，我们注意到DeepSeek的前3层是完全密集的，而不是MoE（混合专家）。作为回顾，MoE（混合专家）层允许我们增加模型中的参数数量，而不会增加使用的FLOPs（浮点运算次数），因为我们动态地将大多数条目屏蔽为0，因此我们基本上跳过了对零化条目进行矩阵乘法运算。

MoEs（混合专家模型）的目标是“绕过”扩展定律，因为我们在不改变计算成本的情况下增加了参数数量。有关MoEs的更多笔记以及一种名为Memory Layers的新方法（旨在比MoEs做得更好），请参见这条推文：x.com/danielhanchen/status/1868748998783517093

通过结合以下四种方法，包括： 我们的4位动态量化方法 1.58位LLMs论文 Llama.cpp的1.5位量化 超级权重论文 我们成功应用了以下见解：

1. 前三个密集层使用了所有权重的0.5%。我们将这些保持为4位或6位。

2. MoE层使用共享专家，使用了1.5%的权重。我们将使用6位。

3. 我们可以将所有MLA注意力模块保持为4位或6位，使用不到5%的权重。我们应该量化注意力输出（3%），但最好保持其较高精度。

4. down_proj对量化最为敏感，尤其是在前几层。我们通过超级权重论文、我们的动态量化方法和llama.cpp的GGUF量化方法验证了我们的发现。因此，我们将前3到6个MoE down_proj矩阵保持较高精度。例如，在超级权重论文中，我们看到几乎所有不应被量化的权重都在down_proj中。

关于为什么所有的“超级权重”或最重要的权重都在 down_proj 中的主要见解是因为 SwiGLU 的操作：

[ [f(XW_{gate}) * (XW_{up})]W_{down} ] 这意味着 up 和 gate 投影本质上会相乘形成较大的数值，而 down_proj 必须将它们缩小——这意味着量化 down_proj 可能不是一个好主意，尤其是在 Transformer 的早期层中。

1. 我们应该将 embedding 和 lm_head 分别保留为 4 位和 6 位。MoE 路由器和所有层归一化保留为 32 位。

2. 这使得约 88% 的权重成为 MoE 权重！通过将它们量化为 1.58 位，我们可以大幅缩小模型！

3. 我们提供了动态量化代码作为 llama.cpp 的一个分支：github.com/unslothai/llama.cpp

4. 我们利用了 Bartowski 的重要性矩阵来进行低位量化

开始模板问题

所有蒸馏版本和主要的67IB R1模型使用相同的聊天模板：

< begin_of_sentence > < 用户 > 1+1等于多少？
< 助手 > 等于2。< end_of_sentence >
| 用户 | > 再解释一下！< 助手 |

在推理过程中，强制添加了BOS（开始符），并且每个交互之间用EOS（结束符）分隔。为了避免在推理过程中出现双BOS标记，你应该只调用tokenizer.encode(..., add_special_tokens = False)，因为聊天模板会自动添加BOS标记。对于llama.cpp / GGUF推理，你应该跳过BOS，因为它会自动添加。

< 用户 > 1+1等于多少？< 助手 >

和标记有自己指定的标记。对于Qwen和Llama的蒸馏版本，一些标记被重新映射，例如Qwen没有BOS标记，所以必须使用<\object_ref_start>代替。所有蒸馏版和原始 R1 版本似乎意外地将填充标记分配给了 < | end_of_sentence | >，这通常不是一个好主意，特别是如果你想在这些推理模型的基础上进一步微调。这将导致无限生成，因为大多数框架会将 EOS 标记屏蔽为 -100。 我们修复了所有蒸馏版本和原始R1版本，使用了正确的填充标记（Qwen使用<|vision_pad|>，Llama使用<|finetune_right_pad_id|>，而R1使用<｜PAD▁TOKEN｜>或我们自己添加的填充标记）。

DeepSeek R1有61层。例如，使用24GB GPU或80GB GPU时，您可以预期在向下取整后卸载（如果内存不足，减少11)

要运行模型，我们将K缓存量化为4bit。量化V缓存需要为llama.cpp编译flash attention内核。我们使用机器上的所有线程，并使用DeepSeek推荐的温度0.6。上下文大小是您希望模型生成的令牌数量。

到此我可以尝试一下用运行量化后的deepseek R1 671B后版本试试，但是可能也会失败的。只能说有这样挑战和冒险。