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GPTQ 量化大模型

GPTQ 算法

GPTQ 算法由 Frantar 等人 (2023) 提出，它从 OBQ 方法中汲取灵感，但进行了重大改进，可以将其扩展到（非常）大型的语言模型。

步骤 1：任意顺序量化

OBQ 方法选择权重按特定顺序进行量化，该顺序由增加的额外误差最小决定。然而，GPTQ 观察到，对于大型模型，以任何固定顺序量化权重都可以获得同样好的效果。这是因为即使某些权重可能单独引入更多误差，但它们会在流程后期量化，此时剩下的其他权重很少，这可能会增加误差。所以顺序并不像我们想象的那么重要。

基于这一见解，GPTQ 旨在以相同的顺序量化矩阵所有行的所有权重。这使得该过程更快，因为某些计算只需对每列进行一次，而不是对每个权重进行一次。

步骤 2：惰性批量更新

这种方案速度不快，因为它需要更新一个巨大的矩阵，而每个块的计算量却很少。这种类型的操作无法充分利用 GPU 的计算能力，并且会因内存限制（内存吞吐量瓶颈）而变慢。

为了解决这个问题，GPTQ 引入了“惰性批量更新”。事实证明，列的最终量化仅受对该列更新的影响，而不会受后续列的影响。因此，GPTQ 可以一次将算法应用于一批列（例如 128 列），仅更新这些列和矩阵的相应块。在处理完一个块后，该算法会对整个矩阵执行全局更新。

步骤 3：Cholesky 重构

然而，还有一个问题需要解决。当算法扩展到非常大的模型时，数值不准确可能会成为一个问题。具体来说，重复应用某一操作可能会累积数值误差。

为了解决这个问题，GPTQ 使用了Cholesky 分解，这是一种解决某些数学问题的数值稳定方法。它涉及使用 Cholesky 方法从矩阵中预先计算一些所需信息。这种方法与轻微的“阻尼”（在矩阵的对角元素中添加一个小常数）相结合，有助于算法避免数值问题。

完整的算法可以概括为几个步骤：
GPTQ 算法首先对 Hessian 逆进行 Cholesky 分解（该矩阵有助于决定如何调整权重）
然后它循环运行，一次处理一批列。
对于批次中的每一列，它量化权重，计算误差，并相应地更新块中的权重。
处理批次后，它会根据块的错误更新所有剩余的权重。

使用 AutoGPTQ 库实现 GPTQ 算法并量化 GPT-2 模型

# 导入随机数模块
import random# 导入AutoGPTQ库中的类，用于量化模型
from auto_gptq import AutoGPTQForCausalLM, BaseQuantizeConfig# 导入load_dataset函数，用于加载数据集
from datasets import load_dataset# 导入PyTorch库
import torch# 导入transformers库中的AutoTokenizer，用于文本编码
from transformers import AutoTokenizer# 定义基础模型名称和量化后模型的输出目录
model_id = "gpt2"  # 使用gpt2作为基础模型
out_dir = model_id + "-GPTQ"  # 输出目录为模型ID加上"-GPTQ"# 加载量化配置、模型和分词器
# 量化配置设置：4位量化，组大小为128，阻尼百分比为0.01，不使用激活函数量化
quantize_config = BaseQuantizeConfig(bits=4,group_size=128,damp_percent=0.01,desc_act=False,
)
# 从预训练模型加载并应用量化配置
model = AutoGPTQForCausalLM.from_pretrained(model_id, quantize_config)
# 加载与模型匹配的分词器
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)# 加载数据并进行分词处理
# 使用allenai的c4数据集，限制加载的数据文件和数据条数
n_samples = 1024
data = load_dataset("allenai/c4", data_files="en/c4-train.00001-of-01024.json.gz", split=f"train[:{n_samples*5}]")
# 将文本数据连接并使用分词器进行编码
tokenized_data = tokenizer("\n\n".join(data['text']), return_tensors='pt')# 格式化分词后的样本
# 初始化一个空列表来存储格式化后的样本
examples_ids = []
# 遍历以创建n_samples个样本
for _ in range(n_samples):# 随机选择起始索引，确保序列长度不超过模型最大长度i = random.randint(0, tokenized_data.input_ids.shape[1] - tokenizer.model_max_length - 1)j = i + tokenizer.model_max_length  # 计算结束索引# 提取输入ID和创建相应的注意力掩码input_ids = tokenized_data.input_ids[:, i:j]attention_mask = torch.ones_like(input_ids)  # 注意力掩码全为1，表示所有token都需要被模型注意# 将输入ID和注意力掩码添加到样本列表中examples_ids.append({'input_ids': input_ids, 'attention_mask': attention_mask})# 计时开始
%%time# 使用GPTQ进行量化
# 使用前面准备的样本、指定的batch_size和启用Triton优化进行量化
model.quantize(examples_ids,batch_size=1,use_triton=True,
)# 保存量化后的模型和分词器到指定目录
# 使用safetensors格式保存模型权重，该格式更安全且更易于分享
model.save_quantized(out_dir, use_safetensors=True)
tokenizer.save_pretrained(out_dir)  # 保存分词器到同一目录以便之后使用

量化后的效果

# 定义基础模型名称和量化后模型的输出目录
model_id = "gpt2"  # 使用gpt2作为基础模型
out_dir = model_id + "-GPTQ"  # 输出目录为模型ID加上"-GPTQ"# 设定设备为CUDA（如果可用）否则使用CPU
device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
# 这行代码检查是否有GPU可以使用，如果有，则在GPU上运行后续的模型操作，否则在CPU上运行。# 重新加载模型和分词器
model = AutoGPTQForCausalLM.from_quantized(out_dir,  # 指定之前保存的量化模型目录device=device,  # 使用之前设定的设备use_triton=True,  # 启用Triton加速（如果安装并配置了Triton推理服务器）use_safetensors=True,  # 指定使用safetensors格式加载模型权重
)
# 从量化模型的保存目录加载分词器
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(out_dir)# 导入transformers库中的pipeline功能
from transformers import pipeline# 创建一个文本生成的pipeline，使用刚加载的模型和分词器
generator = pipeline('text-generation', model=model, tokenizer=tokenizer)# 使用pipeline生成文本，输入为"I have a dream"，开启采样以增加多样性，限制生成的最大长度为50
result = generator("I have a dream ", do_sample=True, max_length=50)[0]['generated_text']# 打印生成的文本结果
print(result)