编者按：微软亚洲研究院推出了 1-bit LLM 的新变体：BitNet b1.58。该模型每个参数仅使用三值表示，即-1, 0 或 1。因此，在 LLM 的矩阵乘法操作中只需要整数加法，而不需要任何浮点数乘法或加法。在语言模型困惑度和下游任务性能的评估中，BitNet b1.58 能够与具有相同参数量和训练数据量的全精度（即FP16或BF16）Transformer LLM 相匹敌。与此同时，它在速度、内存使用、吞吐量和能耗等方面具有大幅优势。
更为关键的是，BitNet b1.58 为训练新一代高性能高效率的 LLMs 确立了新的扩展定律（scaling law）和方法。此外，它引领了一种全新的计算范式，并为开发专为 1-bit LLMs 优化的硬件设备铺平了道路。
本文经授权转载自公众号“机器之心”，原文标题《微软、国科大开启1Bit时代：大模型转三进制，速度快4倍能耗降至1/41》。
把大模型的权重统统改成三元表示，速度和效率的提升让人害怕。
今天凌晨，由微软亚洲研究院、中国科学院大学（国科大）等机构提交的一篇论文在 AI 圈里被人们争相转阅。该研究提出了一种 1-bit 大模型，实现效果让人只想说两个字：震惊。
如果该论文的方法可以广泛使用，这可能是生成式 AI 的新时代。
对此，已经有人在畅想 1-bit 大模型的适用场景，看起来很适合物联网，这在以前是不可想象的。
人们还发现，这个提升速度不是线性的 —— 而是，模型越大，这么做带来的提升就越大。
近年来，大语言模型（LLM）的参数规模和能力快速增长，既在广泛的自然语言处理任务中表现出了卓越的性能，也为部署带来了挑战，并引发人们担忧高能耗会对环境和经济造成影响。
因此，使用后训练（post-training）量化技术来创建低 bit 推理模型成为上述问题的解决方案。这类技术可以降低权重和激活函数的精度，显著降低 LLM 的内存和计算需求。目前的发展趋势是从 16 bits 转向更低的 bit，比如 4 bits。然而，虽然这类量化技术在 LLM 中广泛使用，但并不是最优的。
最近的工作提出了 1-bit 模型架构，比如 2023 年 10 月微软亚洲研究院、国科大和清华大学的研究者推出了 BitNet，在降低 LLM 成本的同时为保持模型性能提供了一个很有希望的技术方向。
BitNet 是第一个支持训练 1-bit 大语言模型的新型网络结构，具有强大的可扩展性和稳定性，能够显著减少大语言模型的训练和推理成本。与最先进的 8-bit 量化方法和全精度 Transformer 基线相比，BitNet 在大幅降低内存占用和计算能耗的同时，表现出了极具竞争力的性能。
此外，BitNet 拥有与全精度 Transformer 相似的扩展法则（Scaling Law），在保持效率和性能优势的同时，还可以更加高效地将其能力扩展到更大的语言模型上， 从而让 1 比特大语言模型（1-bit LLM）成为可能。
BitNet 从头训练的 1-bit Transformers 在能效方面取得了有竞争力的结果。来源：https://arxiv.org/pdf/2310.11453.pdf
如今，微软亚洲研究院、国科大同一团队（作者部分变化）的研究者推出了 BitNet 的重要 1-bit 变体，即 BitNet b1.58，其中每个参数都是三元并取值为 {-1, 0, 1}。他们在原来的 1-bit 上添加了一个附加值 0，得到二进制系统中的 1.58 bits。
BitNet b1.58 继承了原始 1-bit BitNet 的所有优点，包括新的计算范式，使得矩阵乘法几乎不需要乘法运算，并可以进行高度优化。同时，BitNet b1.58 具有与原始 1-bit BitNet 相同的能耗，相较于 FP16 LLM 基线在内存消耗、吞吐量和延迟方面更加高效。
论文标题：The Era of 1-bit LLMs: All Large Language Models are in 1.58 Bits
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2402.17764.pdf
此外，BitNet b1.58 还具有两个额外优势。其一是建模能力更强，这是由于它明确支持了特征过滤，在模型权重中包含了 0 值，显著提升了 1-bit LLM 的性能。其二实验结果表明，当使用相同配置（比如模型大小、训练 token 数）时，从 3B 参数规模开始， BitNet b1.58 在困惑度和最终任务的性能方面媲美全精度（FP16）基线方法。
如下图所示，BitNet b1.58 为降低 LLM 推理成本（延迟、吞吐量和能耗）并保持模型性能提供了一个帕累托（Pareto）解决方案。
BitNet b1.58 介绍
BitNet b1.58 基于 BitNet 架构，并且用 BitLinear 替代 nn.Linear 的 Transformer。BitNet b1.58 是从头开始训练的，具有 1.58 bit 权重和 8 bit 激活。与原始 BitNet 架构相比，它引入了一些修改，总结为如下：
用于激活的量化函数与 BitNet 中的实现相同，只是该研究没有将非线性函数之前的激活缩放到 [0, Q_b] 范围。相反，每个 token 的激活范围为 [−Q_b, Q_b]，从而消除零点量化。这样做对于实现和系统级优化更加方便和简单，同时对实验中的性能产生的影响可以忽略不计。
与 LLaMA 类似的组件。LLaMA 架构已成为开源大语言模型的基本标准。为了拥抱开源社区，该研究设计的 BitNet b1.58 采用了类似 LLaMA 的组件。具体来说，它使用了 RMSNorm、SwiGLU、旋转嵌入，并且移除了所有偏置。通过这种方式，BitNet b1.58 可以很容易的集成到流行的开源软件中（例如，Huggingface、vLLM 和 llama.cpp2）。
实验及结果
该研究将 BitNet b1.58 与此前该研究重现的各种大小的 FP16 LLaMA LLM 进行了比较，并评估了模型在一系列语言任务上的零样本性能。除此之外，实验还比较了 LLaMA LLM 和 BitNet b1.58 运行时的 GPU 内存消耗和延迟。
下表总结了 BitNet b1.58 和 LLaMA LLM 的困惑度和成本：在困惑度方面，当模型大小为 3B 时，BitNet b1.58 开始与全精度 LLaMA LLM 匹配，同时速度提高了 2.71 倍，使用的 GPU 内存减少了 3.55 倍。特别是，当模型大小为 3.9B 时，BitNet b1.58 的速度是 LLaMA LLM 3B 的 2.4 倍，消耗的内存减少了 3.32 倍，但性能显著优于 LLaMA LLM 3B。
下表结果表明，随着模型尺寸的增加，BitNet b1.58 和 LLaMA LLM 之间的性能差距缩小。更重要的是，BitNet b1.58 可以匹配从 3B 大小开始的全精度基线的性能。与困惑度观察类似，最终任务（ end-task）结果表明 BitNet b1.58 3.9B 优于 LLaMA LLM 3B，具有更低的内存和延迟成本。
内存和延迟：该研究进一步将模型大小扩展到 7B、13B 和 70B 并评估成本。下图显示了延迟和内存的趋势，随着模型大小的增加，增长速度（speed-up）也在增加。特别是，BitNet b1.58 70B 比 LLaMA LLM 基线快 4.1 倍。这是因为 nn.Linear 的时间成本随着模型大小的增加而增加，内存消耗同样遵循类似的趋势。延迟和内存都是用 2 位核测量的，因此仍有优化空间以进一步降低成本。
能耗。该研究还对 BitNet b1.58 和 LLaMA LLM 的算术运算能耗进行了评估，主要关注矩阵乘法。下图说明了能耗成本的构成。BitNet b1.58 的大部分是 INT8 加法计算，而 LLaMA LLM 则由 FP16 加法和 FP16 乘法组成。根据 [Hor14，ZZL22] 中的能量模型，BitNet b1.58 在 7nm 芯片上的矩阵乘法运算能耗节省了 71.4 倍。
该研究进一步报告了能够处理 512 个 token 模型的端到端能耗成本。结果表明，随着模型规模的扩大，与 FP16 LLaMA LLM 基线相比，BitNet b1.58 在能耗方面变得越来越高效。这是因为 nn.Linear 的百分比随着模型大小的增加而增长，而对于较大的模型，其他组件的成本较小。
吞吐量。该研究比较了 BitNet b1.58 和 LLaMA LLM 在 70B 参数体量上在两个 80GB A100 卡上的吞吐量，使用 pipeline 并行性 [HCB+19]，以便 LLaMA LLM 70B 可以在设备上运行。实验增加了 batch size，直到达到 GPU 内存限制，序列长度为 512。下表显示 BitNet b1.58 70B 最多可以支持 LLaMA LLM batch size 的 11 倍，从而将吞吐量提高 8.9 倍。
更多技术细节请查看原论文。
论文标题：The Era of 1-bit LLMs: All Large Language Models are in 1.58 Bits
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2402.17764.pdf
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