新智元報(bào)道

編輯：編輯部 XYH

【新智元導(dǎo)讀】大模型巨無霸體量，讓端側(cè)部署望而卻步？華為聯(lián)手中科大提出CBQ新方案，僅用0.1%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)7倍壓縮率，保留99%精度。

大模型，如今堪稱AI界的「吞金巨獸」。

從寫詩到解題，從對(duì)話到編程，它們幾乎無所不能，但動(dòng)輒千億甚至萬億參數(shù)的規(guī)模，讓部署成本高得離譜。

以FP16精度部署的DeepSeek-R1 671B為例，推理時(shí)大概需要1342GB的顯存，如果是32GB 5090顯卡，需要整整42張！

為了降低成本，天才工程師們想出了后訓(xùn)練量化（Post-training Quantization，PTQ）的方法，它能夠在有限的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和計(jì)算資源下對(duì)模型進(jìn)行高效壓縮。

但是PTQ依然帶來新的問題——在極低比特精度（如W2A16、W4A4）時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降，規(guī)模是降了，但是不好用了！

就在這關(guān)鍵時(shí)刻，華為諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中科大亮出了「殺手锏」——CBQ（Cross-Block Quantization），一種基于跨塊重建的后訓(xùn)練量化方案。

論文地址：https://openreview.net/pdf?id=eW4yh6HKz4

相比量化感知訓(xùn)練（QAT）所需數(shù)據(jù)量，CBQ僅用0.1%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，一鍵壓縮大模型至1/7體積——浮點(diǎn)模型性能保留99%，真正實(shí)現(xiàn)「輕量不降智」。

值得一提的是，這項(xiàng)成果已榮登ICLR 2025 Spotlight（錄取率僅5%）。

它不僅展現(xiàn)了大模型壓縮領(lǐng)域的創(chuàng)新性和實(shí)用性，更像一顆信號(hào)彈，宣告大模型在國(guó)產(chǎn)算力上的普及時(shí)代已然來臨！

目前，CBQ已作為可調(diào)用的算法之一，正式加入昇騰模型壓縮工具包ModelSlim，幫助開發(fā)者在昇騰芯片上實(shí)現(xiàn)LLM的高效部署。

極低比特量化，為何如此難？

長(zhǎng)期以來，后訓(xùn)練量化（PTQ）一直是壓縮大語言模型的「黑科技」——通過解決異常值和采用layer-wise或block-wise的loss優(yōu)化技術(shù)取得了比較不錯(cuò)的結(jié)果。

但是當(dāng)把參數(shù)比特「壓得特別低」的時(shí)候，模型性能會(huì)嚴(yán)重下降。

為什么極低比特量化，如此困難？其實(shí)，答案隱藏在大模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。

研究者們對(duì)LLM在低比特量化場(chǎng)景下的量化誤差進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)了問題的關(guān)鍵所在：

隨著模型參數(shù)數(shù)量的增加和量化bit數(shù)的減少，模型內(nèi)部的層間依賴（inter-layer dependencies）和層內(nèi)依賴（intra-layer dependencies）會(huì)顯著增強(qiáng)，這嚴(yán)重影響了量化精度。

如下實(shí)驗(yàn)所示，清晰展示了LLAMA-7B層間與層內(nèi)的依賴關(guān)系。

圖1：Llama-7B內(nèi)部權(quán)重和層之間依賴關(guān)系的變化，以及層間縮放因子（scale）對(duì)誤差的影響

圖1（a）為L(zhǎng)LAMA-7B單一層中權(quán)重的Hessian矩陣絕對(duì)值可視化，2-bit圖比4-bit更模糊，非對(duì)角線噪聲增多，表示在低比特下權(quán)重間的「干擾」增強(qiáng)了。

圖1（b）為L(zhǎng)LAMA-7B 32層中損失相對(duì)于scale的Hessian矩陣可視化，在2-bit量化中，非對(duì)角線明顯比4-bit更亮，說明層間依賴增強(qiáng)，模型更容易因?yàn)橐粚拥恼`差影響到另一層。

以及圖1（c）LLAMA-7B前兩個(gè)Transformer塊的平均scale與相應(yīng)損失之間的關(guān)系，4-bit情況下，誤差平穩(wěn)區(qū)域大，模型對(duì) scale 不敏感。2-bit情況下，誤差對(duì)scale非常敏感，選擇不當(dāng)誤差急劇上升，黑色區(qū)域更集中、易出錯(cuò)。

總結(jié)來說，將模型參數(shù)從高精度壓縮到低精度，這一過程主要面臨三大核心挑戰(zhàn)：

1.層間依賴的「雪球效應(yīng)」

大模型由多個(gè)Transformer層組成，各層參數(shù)之間存在復(fù)雜的相互依賴。

在極低比特量化時(shí)，量化誤差會(huì)在層間不斷累積放大，就像「滾雪球」一樣，導(dǎo)致整體性能嚴(yán)重下降。

然而，傳統(tǒng)逐層量化的方法，無法有效捕捉這些層間依賴，進(jìn)而造成了精度損失。

2.層內(nèi)依賴的復(fù)雜性

同一層內(nèi)的參數(shù)并非獨(dú)立存在，而是存在緊密的關(guān)聯(lián)性。

極低比特量化會(huì)破壞這些精細(xì)的層內(nèi)依賴，導(dǎo)致模型在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)「力不從心」。

比如，大模型語義理解或推理能力，可能因參數(shù)精度的降低而顯著退化。

3.權(quán)重和激活的異常值

模型的權(quán)重和激活值中的異常值，在低比特量化時(shí)會(huì)引發(fā)較大的誤差。

傳統(tǒng)的方法無法精確識(shí)別和處理這些異常值，進(jìn)一步加劇了量化誤差。

可見，這些挑戰(zhàn)讓低比特量化，成為大模型壓縮的「攔路虎」。

那么，華為的CBQ方案，是如何突破這些瓶頸？讓我們一探究竟！

CBQ打破層間壁壘，精準(zhǔn)又高效

CBQ的核心思想是，通過跨塊依賴（Cross-Block Dependency, CBD）機(jī)制和自適應(yīng)LoRA-Rounding技術(shù)，同時(shí)優(yōu)化多個(gè)Transformer塊的量化參數(shù)，從而更好地保留模型內(nèi)部的依賴關(guān)系。

具體來說，它通過三大技術(shù)創(chuàng)新，為極低比特量化注入了全新活力。

跨塊依賴機(jī)制（CBD）

剛剛也提到，傳統(tǒng)量化方法采用逐層優(yōu)化，卻忽視了層間依賴的復(fù)雜性。

CBQ引入了CBD機(jī)制，通過滑動(dòng)窗口的方式，同時(shí)優(yōu)化多個(gè)Transformer塊，并且相鄰窗口之間會(huì)有重疊的塊，以確保塊之間的連接性和協(xié)作性。

這種方法，可以有效地捕捉到模型內(nèi)部的長(zhǎng)距離依賴關(guān)系，使得相鄰的塊能夠共同參與到量化過程中，從而提高整體的量化性能。

在實(shí)驗(yàn)中，隨著滑動(dòng)窗口中塊的數(shù)量增加，模型的性能也得到了顯著提升。

自適應(yīng)LoRA-Rounding技術(shù)

為了應(yīng)對(duì)層內(nèi)依賴的復(fù)雜性，CBQ提出了自適應(yīng)LoRA-Rounding技術(shù)，通過兩個(gè)低秩矩陣來學(xué)習(xí)量化權(quán)重的自適應(yīng)補(bǔ)償值。

與傳統(tǒng)的AdaRound方法相比，LoRA-Rounding通過低秩分解大大減少了可學(xué)習(xí)參數(shù)，訓(xùn)練速度更快，GPU內(nèi)存消耗更低。

這種方法能夠在訓(xùn)練過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重的量化精度，從而更好地適應(yīng)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分布。

粗到細(xì)的預(yù)處理策略（CFP）

針對(duì)異常值問題，CBQ采用了粗到細(xì)的預(yù)處理策略（Coarse-to-Fine Preprocessing, CFP）。

CFP策略從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，通過分階段檢測(cè)和處理權(quán)重和激活中的異常值。

在粗粒度檢測(cè)階段，通過計(jì)算四分位數(shù)和四分位距來初步估計(jì)異常值的范圍；在細(xì)粒度檢測(cè)階段，通過最小化異常值子集與正常值子集之間的距離，同時(shí)最大化子集內(nèi)部的方差，來精確識(shí)別異常值的位置。

這種分階段策略，有效減少了量化誤差，確保模型在低比特場(chǎng)景下依然「穩(wěn)如泰山」。

那么，CBQ在場(chǎng)景中的真實(shí)表現(xiàn)又如何呢？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：性能與效率的雙贏

一系列研究結(jié)果顯示，CBQ在華為盤古模型和開源模型的表現(xiàn)上，大放異彩。

盤古模型：端側(cè)部署「殺手锏」

CBQ量化技術(shù)已成功應(yīng)用于華為盤古大模型PanGu-7B和PanGu-1.5B的端側(cè)部署，憑借其高精度的量化性能，有效支撐了盤古大模型在多個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的落地應(yīng)用。

如下表所示，在W8A8/W4A16精度下，PanGu-1.5B模型在中文（C-Eval/CMMLU）、多任務(wù)語言理解（MMLU）基準(zhǔn)中的表現(xiàn)，毫不遜色于全精度模型的性能。

在中文、多語言理解、數(shù)學(xué)基準(zhǔn)中，PanGu-7B的表現(xiàn)同樣如此。

這些成果，足以讓盤古模型在手機(jī)等終端設(shè)備上，輕松運(yùn)行。

開源模型：超越最優(yōu)

此外，CBQ在多個(gè)開源LLM（如OPT、LLaMA）上也取得了SOTA。

例如，在W4A16、W2A16和W4A8等低比特量化設(shè)置下，CBQ的性能均優(yōu)于現(xiàn)有的最先進(jìn)方法，并且與全精度模型的性能差距縮小到了1%以內(nèi)。

更令人驚嘆的是，CBQ僅需4.3小時(shí)即可完成對(duì)4位權(quán)重的LLaMA1-65B模型的量化，展現(xiàn)了壓縮率與精度之間的完美平衡（trade-off）。

未來展望

華為的CBQ方案，以跨塊依賴機(jī)制、自適應(yīng)LoRA-Rounding技術(shù)，以及粗到細(xì)的預(yù)處理策略，成功征服了極低比特量化的「三大高峰」。

這項(xiàng)創(chuàng)新有效地解決了，大模型在低比特量化場(chǎng)景下所面臨的層間依賴和層內(nèi)依賴難題。

它不僅在多種大語言模型和數(shù)據(jù)集上展現(xiàn)出了顯著的性能提升，成功縮小了與全精度模型之間的差距，還以高效的量化效率實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型的快速壓縮。

最終，讓盤古和各類開源模型，成功實(shí)現(xiàn)了在昇騰硬件上的高效部署，并為更加廣泛的應(yīng)用鋪就坦途。