Quamba：一種針對選擇性狀態空間模型的訓練後量化方法

核心概念

本文提出了一種名為 Quamba 的新型量化方法，專為選擇性狀態空間模型（SSMs）設計，通過將權重和激活量化為 8 位元整數，在保持準確性的同時顯著降低模型大小和延遲，使其適用於資源受限的邊緣設備和雲端部署。

摘要

論文資訊
Hung-Yueh Chiang, Chi-Chih Chang, Natalia Frumkin, Kai-Chiang Wu, & Diana Marculescu. (2024). Quamba: A Post-Training Quantization Recipe for Selective State Space Models. arXiv:2410.13229v1 [cs.LG].
研究目標
本研究旨在解決將狀態空間模型（SSMs）部署到資源受限的硬體平台上的挑戰，特別是針對選擇性 SSMs 開發一種有效的量化方法。
方法

本文提出了一種名為 Quamba 的 8 位元靜態逐個張量量化方法，用於選擇性 SSMs。
為了提高量化精度，Quamba 抑制了 SSMs 輸入激活中的最大值。
針對 SSMs 輸出激活中的極端異常值，Quamba 使用 Hadamard 變換對激活進行平滑處理。
主要發現

與 FP16 相比，Quamba 將 2.8B 模型的大小減少了近一半。
在 Nvidia Orin Nano 8G 上，Quamba 使生成延遲提高了 1.72 倍，同時在零樣本任務上的平均準確度僅下降了 0.9%。
在量化 Jamba（一種具有 52B 參數的 SSM 風格語言模型）時，僅觀察到準確度下降了 1%。
主要結論

Quamba 是一種有效且可擴展的 SSMs 量化方法，適用於在雲端和邊緣平台上部署各種規模的基於 SSMs 的模型。
意義
本研究為 SSMs 的部署提供了一種實用的解決方案，通過量化技術克服了記憶體和延遲的限制，同時保持了模型的準確性。
局限性和未來研究方向

未來的工作可以探索更低位元的量化技術，以進一步壓縮模型大小和降低延遲。
研究 Quamba 對其他 SSMs 架構的適用性也是一個有價值的方向。

统计

Quamba 將 2.8B 模型的大小從 5.29 GB 減少到 2.76 GB。
在 Nvidia Orin Nano 8G 上，Quamba 將生成延遲提高了 1.72 倍。
在零樣本任務上，Quamba 的平均準確度僅下降了 0.9%。
在量化 Jamba 時，僅觀察到準確度下降了 1%。

从中提取的关键见解

Quamba: A Post-Training Quantization Recipe for Selective State Space Models

by Hung-Yueh Ch... 在 arxiv.org 10-18-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.13229.pdf

更深入的查询

Quamba 如何與其他模型壓縮技術（例如剪枝、知識蒸餾）相結合，以進一步提高 SSMs 的效率？

Quamba 作為一種後訓練量化方法，可以與其他模型壓縮技術（如剪枝、知識蒸餾）結合，進一步提高 SSMs 的效率，具體如下：
1. 與剪枝技術結合:

剪枝策略: 可以先使用剪枝技術去除 SSMs 中冗餘或不重要的權重和連接，例如，可以根據權重的大小、梯度信息或特徵重要性進行剪枝。
Quamba 量化: 在剪枝後的模型上應用 Quamba 進行量化，由於模型規模減小，量化過程可以更加精確，並減少精度損失。
優點: 結合剪枝和 Quamba 可以顯著減少模型大小和計算量，同時保持較高的模型精度。
2. 與知識蒸餾技術結合:

教師模型: 使用一個未壓縮的 SSMs 作為教師模型，並使用 Quamba 量化一個規模更小或結構更簡單的 SSMs 作為學生模型。
知識遷移: 使用知識蒸餾技術將教師模型的知識遷移到學生模型，例如，可以使用教師模型的輸出概率分佈作為軟標籤來訓練學生模型。
優點: 知識蒸餾可以幫助學生模型學習到教師模型的泛化能力，從而提高量化後模型的精度。
3. 其他壓縮技術:

低秩分解: 可以使用低秩分解技術將 SSMs 中的大矩陣分解成多個小矩陣，從而減少模型參數和計算量。
量化感知訓練: 可以將 Quamba 的量化操作融入到 SSMs 的訓練過程中，從而獲得對量化更加魯棒的模型。
總之，Quamba 可以作為一個通用的量化框架，與其他模型壓縮技術結合，實現 SSMs 的高效壓縮和部署。

選擇性 SSMs 中輸入激活的獨特特徵如何影響量化過程，以及如何針對這些特徵優化量化方法？

選擇性 SSMs 中輸入激活的獨特特徵主要體現在其對量化誤差的敏感性，這對量化過程提出了挑戰，需要針對性地優化量化方法。
1. 輸入激活對量化誤差的敏感性:

因果關係: SSMs 中的線性遞歸機制使得輸入激活之間存在強烈的因果關係，即當前時間步的輸入激活會影響到後續所有時間步的輸出。
誤差累積: 量化誤差會隨著時間步的推移而累積，導致模型性能顯著下降。
選擇性機制: 選擇性 SSMs 中的輸入依賴參數（如 B、C、Δ）會根據輸入激活進行調整，這使得量化誤差對模型性能的影響更加複雜。
2. 針對輸入激活特徵的量化方法優化:

百分位數裁剪: Quamba 使用百分位數裁剪來限制輸入激活的範圍，避免少數異常值對量化精度的影響。
動態量化: 可以考慮使用動態量化方法，根據每個時間步的輸入激活動態調整量化參數，提高量化精度。
混合精度量化: 可以對 SSMs 中不同層或不同操作使用不同的量化精度，例如對輸入激活使用更高的精度，對權重使用更低的精度。
量化感知訓練: 可以將量化操作融入到 SSMs 的訓練過程中，使模型學習到對量化更加魯棒的表示。
總之，針對選擇性 SSMs 中輸入激活對量化誤差的敏感性，需要優化量化方法，例如使用百分位數裁剪、動態量化、混合精度量化和量化感知訓練等技術，以提高量化後模型的性能。

Quamba 在處理多語言或特定領域的 SSMs 方面的表現如何，以及如何調整該方法以適應這些場景？

雖然 Quamba 在英文語料庫上展現出良好的性能，但在處理多語言或特定領域的 SSMs 時，需要進行調整以適應不同的數據特徵。
1. 多語言 SSMs:

詞彙量差異: 不同語言的詞彙量差異很大，量化時需要考慮不同語言的詞彙分佈特徵。
語法結構差異: 不同語言的語法結構差異很大，量化時需要考慮不同語言的語法規則。
調整方法:

可以針對不同語言使用不同的詞彙表和量化參數。
可以使用多語言預訓練模型作為初始化，並在目標語言數據上進行微調。
可以使用跨語言知識遷移技術，將 Quamba 從資源豐富的語言遷移到資源匱乏的語言。
2. 特定領域 SSMs:

專業詞彙: 特定領域的文本通常包含大量的專業詞彙，量化時需要考慮這些詞彙的特殊性。
數據稀疏性: 特定領域的數據通常比較稀疏，量化時需要考慮數據稀疏性對模型性能的影響。
調整方法:

可以構建特定領域的詞彙表，並使用特定領域的數據進行量化。
可以使用特定領域的預訓練模型作為初始化，並在目標領域數據上進行微調。
可以使用數據增強技術，擴充特定領域的訓練數據。
總之，Quamba 在處理多語言或特定領域的 SSMs 時，需要根據數據特徵進行調整，例如使用不同的詞彙表、量化參數、預訓練模型和數據增強技術等，以提高量化後模型的性能。