30%参数达到92%的表现，大模型稀疏化方法显神通

6月前

夕小瑶科技说原创
作者 | Axe_越
当我还是一位懵懂少年的时候，总认为“任务难度”，“参数规模”和“准确率”是一个不可兼顾的三角，比如当我想要挑战更难的任务，追求获得更高的准确率，那必然就要在更大的模型参数量上进行妥协。然而，真的是这样吗？

而在千帆阅尽以后，我才终于开始感悟到，

“小孩子才做选择，成年人全部都要”

论文标题
Enabling High-Sparsity Foundational Llama Models With Efficient Pretraining and Deployment

论文链接
https://arxiv.org/pdf/2405.03594.pdf

到底怎样才能把你变小

过去我们在做工程优化时，常常会出现这样的一段对话：

由于在量化（quantization）过程中，只保留每个参数的4位或8位数值参与运算，因此不可避免地会带来准确度损失。除了量化以外，权重剪枝（weight pruning）也是一个常见的模型压缩办法，它通过让部分参数为0来提高推理速度。然而，权重剪枝同样面临降准确率的问题，尤其是在面临复杂任务的时候。

今天我们介绍的这篇文章，就致力于在压缩模型的同时，做到保证准确率不会明显下降，真正实现“既要，又要”

方法

稀疏预训练

在此之前，SparseGPT已经实现了在Llama-2 7B上50%的稀疏化，而本文则希望更进一步，实现70%的稀疏化。具体来说，作者采用了迭代方法。首先，他们训练一个50%稀疏的模型直到收敛，然后在此基础上进一步剪枝以获得70%的稀疏性。剪枝后的权重被固定，并且在训练过程中强制执行稀疏掩码以保持稀疏性。

稀疏预训练选择了SlimPajama数据集和The Stack数据集中的Python子集的混合，因为这些数据集经过过滤，能够确保高比例的优质token。

稀疏微调

稀疏微调是在稀疏预训练模型的基础上进行的，旨在进一步提高模型在特定任务上的准确性，同时保持稀疏度。本文在预训练稀疏模型的基础上，采用了SquareHead蒸馏方法，旨在实现每一层上的稀疏微调。

本文评估了以下四种稀疏微调方法：

密集微调后一次性剪枝（Dense Fine-Tuning with One-Shot Pruning）：先对一个密集模型进行微调，然后在微调数据集上进行一次性剪枝。
微调期间剪枝（Pruning During Fine-Tuning）：在第一种方法的基础上，对模型进行额外的稀疏微调。
从一次性剪枝的模型开始稀疏微调（Sparse Fine-Tuning from One-Shot Pruned Models）：先对预训练模型进行剪枝，然后对目标数据集进行稀疏微调。
从稀疏预训练模型开始稀疏微调（Sparse Fine-Tuning from Sparse Pretrained Models）：从稀疏预训练模型开始，在微调数据集上进行稀疏微调。

此外，文章还发现不同任务类别的准确率恢复模式不同，表明任务复杂性与有效的微调策略之间存在相关性。

有限上下文任务：对于有限上下文任务（如算术推理、摘要），微调期间的剪枝通常可以完全恢复，这表明微调数据集已经包含了模型适应所需的大部分信息。
大上下文任务：对于大上下文任务（如聊天、代码生成、指令跟随），使用标准微调期间的剪枝进行恢复要困难得多，这表明这些任务更多地依赖于预训练数据集的更广泛知识。

文章证实了，与在微调期间的标准“剪枝”方法相比，稀疏预训练及其后续的稀疏微调方法具有以下优势：

高稀疏度下的高恢复率：特别是对于具有大上下文窗口的复杂任务，稀疏预训练方法在高达70%的稀疏度下一致地显示出更高的准确性恢复。
简化的超参数搜索：稀疏预训练创建了一个更稳健的基础，有效避免了在微调期间进行剪枝的大范围超参数调节
减少计算：通过稀疏预训练，模型通常只需要单次微调即可实现收敛。

基于Cerebras CS-3的稀疏预训练加速

Cerebras CS-3 是专为加速稀疏训练而设计的，它对未结构化稀疏性提供了原生支持。CS-3 的基础是一个完全可编程的处理器，支持通用和专门的张量指令，为不同的工作负载提供了灵活性。同时，与PyTorch的集成也确保了其易用性，允许开发者利用硬件的能力而无需进行大量的代码修改。

由于稀疏矩阵乘法是大模型（LLM）训练的核心操作，CS-3独特的片内存储器（on-chip memory）架构正是为稀疏操作提供了高内存带宽，克服了传统GPU依赖于片外DRAM的限制。CS-3的细粒度数据流执行进一步增强了其稀疏加速能力。在这种范式中，数据本身触发计算。通过过滤掉零值，只有非零数据被处理，带来了功耗节省和性能提升。

因此理论上基于CS-3的稀疏预训练，会在浮点运算数（FLOPs）显著减少的同时，实现LLM训练性能的显著提升。而实际的性能提升与预期的理论提升非常接近，下图展示了Llama-2在一个示例矩阵乘法上的性能比较。

实验

稀疏预训练实验

本文在Llama-2 7B上，采用前述稀疏预训练方法进行实验，并度量了模型在“代码生成”，“常识推理”和“世界知识”等通用能力上的效果。与仅进行训练后剪枝（Post-Training Pruning）的方法相比，稀疏预训练方法在50%和70%的稀疏度下都能实现显著更高的准确度恢复，并基本接近基线水平。

有限上下文稀疏微调实验

本文选用了GSM8K（计算推理数据集）和CNN Daily Mail（摘要数据集）用于有限上下文场景下稀疏微调效果的测评。在50%和70%的稀疏度下，基于稀疏预训练的稀疏微调方法都实现了接近100%的准确率恢复能力，与当前最先进技术相当甚至更优。

大上下文稀疏微调实验

本文选用了UltraChat200k（聊天数据集），Dolphin和Open Platypus (指令跟随数据集)，和Eval Code Alpaca（代码生成数据集）用于大上下文场景下稀疏微调效果的测评。证实了本文方法在高稀疏水平下的效果显著优于其他技术，尤其在70%的稀疏度下超过了所有比较方案。

稀疏量化推理性能

在稀疏微调之后，作者应用了量化技术，并通过SmoothQuant算法、GPTQ算法，和针对顶部5层的层跳过技术，以最小化准确度影响。实验发现，量化方法导致在各项任务中的准确度下降可以忽略不计，INT8数据格式的权重和激活对于实现与DeepSparse引擎的最大兼容性和推理性能增益至关重要。

下图直观地展示通过稀疏化和量化相结合所带来的显著性能提升。与采用FP32格式的基线相比，在CPU机器上观察到以下改进：

预填充性能（Prefill Performance）：对于标准512长度的生成任务，首token生成时间最高提速3.86倍解码性能（Decode Performance）：每秒解码token数量最高提升8.6倍

结论与展望

本文提出了一种新的稀疏预训练方法，该方法能够在高达70%的稀疏度下几乎实现微调任务的完全准确度恢复，超越了传统的微调期间剪枝方法。同时利用Cerebras CS-3系统加速了稀疏预训练过程，并通过Neural Magic的软件栈在CPU和GPU上实现了高效的稀疏推理。

在未来，作者将探索使用更大模型的扩展性研究，以验证该方法在更大规模的数据集和模型上依然有效。除了Llama，作者也考虑将稀疏化方法适配到更多新兴的LLM架构中。由于本文验证了稀疏化方法与量化技术结合的有效性，因此作者还将研究更精细的量化技术，如INT4量化，以进一步压缩模型并减少计算需求。此外，如何优化预训练数据集的最佳配比和大小，以提高稀疏模型的性能，也同样是一个值得研究的问题。