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白话版Scaling Laws for Precision 解读

机器学习研究组订阅  · 公众号  · AI  · 2025-01-30 18:03

正文

文章强调了在不同训练精度下,如何平衡模型性能和量化损失,以及在实际应用中选择合适的量化策略的重要性。

前置知识:

scaling law:

  • Training Compute-Optimal Large Language Models(Chinchilla scaling law)

太长不看版:

个人讨厌晦涩难懂+无法应用于实际场景的"装逼结论",因此先按照自己的理解帮大家rephrase一下论文的主要发现(in plain language):

首先,这是一篇研究精度(precision)、参数量(parameters)和训练数据量(tokens)之间关系的重要论文。

1. 关于后训练量化(Post-Training Quantization, PTQ):

1.1 基本概念

  • 指的是pretrain以较高精度(bf16)进行,结束后再量化到更低精度(如int4)。

1.2 结论1

模型预训练的trained_token/parameter比率越高,预训练结束后,使用PTQ带来的性能下降就越大。这里作者没写明白有误导性!!!实际上这个结论指的是:

  • 我们都知道PTQ一定会带来性能下降(PTQ后,valid loss相比pretrain之后会上升),这个下降可以用
  • 论文提出了预测这个下降值的公式。
  • 其中:
    • 训练数据量D越大,PTQ带来的损失越大(正相关)
    • 参数量N越大,PTQ带来的损失越小(负相关)
    • 量化后的精度Ppost越低,损失增加越多(负指数关系)
    • N: 参数量
    • D: 训练token数

    • : PTQ后的精度
    • 拟合常数
    • 这个公式告诉我们:
  • 注意,δPTQ还有一种完整形式(section 5) 同时考虑了训练精度和推理精度(继续往后看):
  • 那么如果你必须进行PTQ,那么对于同样参数量大小的模型,被训更多token的模型的 δPTQ 会比喂更少数据的模型要大。但最终loss的绝对数量是多少并不一定,因为即便 δPTQ 这个正数会让loss上升(性能下降),但模型终归被训了更多数据,这么一抵消可能loss还是会下降。相当于两只无形的手(数据量的上升带来的loss下降、PTQ带来的loss上升)在掰手腕;给定模型参数量和固定的精度,具体谁能掰过谁会有一个打平手的cutoff数据量。
  • 举例子,如果你要固定70B模型参数量并pretrain时候采用bf16,并且pretrain后要PTQ到int4。那么采用两种数据量:

    • a) 用10B token训出来模型

    • b) 5B token训出来的模型

  • 那么一定是a)情况的 δPTQ 更大,但最终PTQ结束之后的loss的数值是多少就不一定了。

  • 因此作者也在原文中提到了**there exists an amount of pretraining data beyond which additional data is actively harmful to performance at inference-time (see top-left, Figure 2),也就是给定你要进行PTQ,那么对于你的实验设置,总有一个cutoff的数据量,称之为临界的数据量 Dcrit ,超过这个量后继续训练会导致PTQ后性能下降。这个临界点并不是说超过后训练数据就“有害”,而是说在进行PTQ后,性能的提升可能会被性能的下降所抵消。因此,在实际应用中,需要权衡训练数据量与模型量化后的性能。

  • 论文给出了计算这个临界点的公式。
其他结论
  • 在某些情况下,过度训练(more tokens)反而会让PTQ后的模型性能变差。

  • 更大的模型在相同的token/parameter比率下,对PTQ更鲁棒。

  • 对于固定大小的数据集,增加模型参数量可以提高PTQ的鲁棒性。

  • 这种规律在不同的PTQ方法中都存在(论文验证了GPTQ、AWQ和RTN三种方法)。
训练精度的影响
  • 训练时使用较低精度的模型在PTQ时性能下降较小。

  • 如果你知道模型最终需要被量化到很低的精度(比如4bit),那么在训练时就使用相对较低的精度(比如8bit)可能比使用高精度(比如16bit)更好,因为这样可以让模型在训练过程中就适应量化噪声。

  • 实话说这个结论初看有点脱裤子放屁,因为太符合直觉了(bushi)。用脚想想就知道【训练用int8然后量化到int4】肯定比【训练用bf16然后量化到int4】要好,原文section 5:models trained in lower precision are more robust to post-train quantization in the sense of incurring lower degradation。

  • 这也解释了为什么一些较新的大语言模型倾向于使用BF16而不是FP32来训练,因为这不仅可以节省计算资源,还可能让模型在后续量化时表现更好

1.3 PTQ造成loss degradation的深入分析

1.3.1 两个竞争效应(section 5)
在分析PTQ对模型性能的影响时,论文发现了两个相互竞争的效应:
  1. Robustification效应;
  2. 低精度训练会让模型更适应量化噪声;
  3. 这使得模型在后续PTQ时更加鲁棒;
  4. 可以理解为模型学会了如何在噪声环境中运作;
  5. Overtraining效应;
  6. 低精度训练会降低模型的有效参数量(),这意味着模型在相同的数据量下“看起来”参数量更少,从而在PTQ时对参数量化的敏感性增加;
  7. 因为  和  成正比, 较低的Neff理论上会导致更大的性能下降: (section 5这边第一次读还以为写错了)。作者说的  实际上应该参考公式 9 变为   ,随着  的增加,  确实增加, 也就是成正比。说明白点就是低精度训练会下降Neff, 也就是一个  模型的可能有效的参数只有 10 B , 然后  变大, 然后根据section 3 的公式就会造成更大的degradation)。
  8. 这个效应与Robustification效应相反。
在实践中,Robustification效应通常占主导,这就是为什么低精度训练的模型在PTQ时表现更好。
1.3.2 精度阈值效应
一个重要发现是,当精度低于5-bit时,PTQ带来的性能下降会急剧增加:
  • 在高精度区间(如8-bit以上),D/N比率的增加对性能的影响相对温和。

  • 在5-bit以下,即使很小的D/N比率增加也可能导致显著的性能下降。

  • 这个发现对实践中选择量化精度有重要指导意义-- 在实际应用中,应避免将模型量化到低于5-bit的精度,除非有特定的需求和相应的优化技术支持。
1.3.3 理论解释
论文在附录中提供了两个可能的理论解释:
Sharpness假说
  • 模型在训练过程中会逐渐变得更"sharp"-- 随着训练的进行,模型的损失函数变得更加“尖锐”(sharp),即梯度和Hessian矩阵的特征值增加,这导致模型对参数扰动更加敏感。因此,PTQ带来的参数量化噪声会对尖锐的损失函数产生更大的影响。

  • Sharp的模型对参数扰动更敏感。

  • 这种敏感性会随着训练的进行而增加。

  • 这解释了为什么过度训练可能导致更大的PTQ降质。
分层学习假说
  • 模型通过分层方式学习特征-- 模型通过逐步学习更复杂的特征,这些特征依赖于之前学习的基础特征。量化噪声影响基础特征,会级联地影响到更高层次的复杂特征,从而导致整体性能的下降。

  • 早期学习基础特征,后期学习复杂特征。

  • 复杂特征依赖于基础特征的准确性。

  • 当基础特征受到量化噪声影响时,会对依赖它们的复杂特征造成级联效应。

  • 这解释了为什么训练时间越长,模型对量化越敏感。

2. 关于训练时量化(Training-time Quantization)

2.1 基本概念

论文中将训练时量化分为两种情况:
  • 仅量化权重(Quantization-Aware Training, QAT):只将模型的权重量化到低精度,其他部分保持高精度,以适应推理阶段的低精度环境。

  • 全面量化(Low-precision Training):同时量化模型的权重、激活值和注意力计算(即键-值缓存),以减少计算资源需求。
注意:这里的权重指模型中所有线性层(Linear layers)的权重矩阵,包括:
  • Transformer 中的所有投影矩阵(例如 query、key、value 的投影权重);

  • 嵌入层(Embedding layers)权重矩阵;

  • 最终输出层的权重矩阵。
但在论文的实验中未对嵌入层(Embedding layer)进行量化。
量化实现细节:
  • 论文遵循了 FP8 训练的标准规范(Micikevicius et al., 2022);

  • 权重采用按通道(per-channel) 量化;

  • 激活值采用按张量(per-tensor) 量化;

  • 对于后训练量化(PTQ),主要针对模型权重进行量化。

2.2 核心发现

权重、激活值和注意力的量化效果是独立且可乘的,这一点非常关键。
论文提出了“有效参数量 Neff effective parameter count)”的概念。简而言之, Neff 代表了模型在低精度下的“真实有效”参数量。在低精度训练时,模型的实际参数量 N会被折减为较低的 Neff ,这有助于评估模型在低精度量化下的性能损失。
基本形式:
完整形式(全面量化):
其中:
  • N:模型的实际参数量;

  • Pw :权重精度;

  • Pa:激活值精度;

  • Pkv :注意力计算精度;

  • γw、γa、γkv :各部分的敏感度系数,反映了模型对不同量化精度的适应性。
举个例子,在相同的计算预算下,有两种方案: