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  • 闪存式大模型:用非结构化稀疏性实现高效低成本的大型生成模型推理

    随着模型参数规模的快速增长,部署大型生成模型变得越来越具有挑战性,因为它们通常需要大量的GPU内存和计算资源。非结构化模型剪枝是一种常见的减少GPU内存占用和总计算量的方法,同时还能保持良好的模型精度。然而,现有的解决方案无法为现代GPU,特别是高度结构化的张量核心硬件提供高效的非结构化稀疏性支持。

    因此,我们提出了闪存式大模型(Flash-LLM),它通过在高性能但高度限制的张量核心上提供对非结构化稀疏性的复杂支持,来实现大型生成模型的低成本、高效推理。

    我们观察到,生成模型推理的主要瓶颈在于几个瘦矩阵乘法,由于计算强度较低,张量核心会被严重低效利用。为此,我们提出了一种针对非结构化稀疏矩阵乘法(SpMM)的通用“稀疏加载,密集计算”方法。其基本思想是在容忍张量核心上不必要的计算的情况下,解决显著的内存带宽瓶颈。

    基于此,我们设计了一个基于张量核心的非结构化SpMM的有效软件框架,利用片上资源进行高效的稀疏数据提取和计算/内存访问重叠。

    闪存式大模型的优势

    • 高效的SpMM内核: 在SpMM内核级别,闪存式大模型的性能显著优于最先进的库,例如Sputnik和SparTA,平均分别快2.9倍和1.5倍。
    • 端到端框架的提升: 在OPT-30B/66B/175B模型上,闪存式大模型的吞吐量(每秒处理的token数)比DeepSpeed和FasterTransformer分别高出3.8倍和3.6倍,同时推理成本显著降低。

    闪存式大模型的原理

    闪存式大模型的核心思想是“稀疏加载,密集计算”。我们注意到,生成模型推理中的关键矩阵乘法通常非常“瘦”。这意味着,这些瘦矩阵乘法的性能受限于全局内存访问(或内存带宽),而不是张量核心的计算能力。

    因此,我们提出了一种创新的方法,通过利用稀疏内存加载来提高有限的内存带宽,同时有效地容忍张量核心上的冗余计算。

    闪存式大模型的设计

    闪存式大模型利用SIMT核心和张量核心来高效地执行非结构化SpMM计算。SIMT核心用于稀疏到密集的转换(即稀疏加载),而张量核心用于计算密集型的张量计算(即密集计算)。

    • 稀疏编码和运行时解析: 闪存式大模型使用一种称为“分块CSL”的新的稀疏格式来支持分块SpMM执行。这种格式有效地组织了稀疏数据,并利用了片上资源进行高效的稀疏数据提取。
    • 计算流水线设计: 闪存式大模型采用了一种两级内存和计算重叠策略,以实现高效的执行。它利用软件流水线通过双缓冲来重叠片外内存加载和稀疏到密集的转换,以及张量核心计算。此外,它还重叠了稀疏到密集转换中的片外内存加载阶段,以提高内存活动效率。
    • 提前稀疏数据重排序: 为了进一步减少共享内存库冲突,闪存式大模型采用了一种提前稀疏数据重排序方法。它通过重新排列稀疏数据,确保每个数据元素都对应于不同的共享内存库,从而实现无冲突的张量核心加载。

    闪存式大模型的评估

    我们对闪存式大模型进行了两级评估:内核级基准测试和模型级评估。评估是在NVIDIA A100-SMX8-80GB平台上进行的。

    • 内核性能: 在内核级别,闪存式大模型在各种形状的矩阵乘法上都表现出色,显著优于现有的SpMM库,例如cuSPARSE、Sputnik和SparTA。
    • 模型性能: 在OPT-30B/66B/175B模型上,闪存式大模型的吞吐量比DeepSpeed和FasterTransformer分别高出3.8倍和3.6倍,同时推理成本显著降低。

    闪存式大模型的应用

    闪存式大模型可以轻松地集成到其他深度学习框架中,通过库调用使用Flash-LLM API。它还可以用于各种任务,例如:

    • 文本生成: 闪存式大模型可以用于生成高质量的文本,例如文章、代码和对话。
    • 机器翻译: 闪存式大模型可以用于将一种语言翻译成另一种语言。
    • 问答: 闪存式大模型可以用于回答用户提出的问题。

    闪存式大模型的未来方向

    • 进一步提高内核性能: 闪存式大模型可以通过优化共享内存访问和利用其他GPU硬件资源来进一步提高内核性能。
    • 支持其他模型: 闪存式大模型可以扩展到支持其他大型生成模型,例如GPT-3和BLOOM。
    • 探索新的稀疏性技术: 闪存式大模型可以探索新的稀疏性技术,例如量化和低秩分解,以进一步降低模型大小和推理成本。

    参考文献

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    [40] cuSPARSE Library. https://docs.nvidia.com/cuda/cusparse/.

    [41] cuSPARSELt Library. https://docs.nvidia.com/cuda/cusparse/.

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    [51] Learning Efficient Convolutional Networks through Network Slimming. https://arxiv.org/abs/1708.06519.

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    [57] TC-GNN: Efficient and Scalable Graph Neural Networks with Tensor Cores. https://arxiv.org/abs/2006.16908.

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    [60] Scaling Distributed Deep Learning with System and Algorithm Co-design. https://arxiv.org/abs/1705.08998.

    [61] OPT: Open Pre-trained Transformer Language Models. https://arxiv.org/abs/2205.01068.

    [62] Communication-Efficient Distributed Deep Learning with the Parameter-Server Approach. https://arxiv.org/abs/1408.5762.

    [63] Megatron-LM: Training Multi-Billion Parameter Language Models Using Model Parallelism. https://arxiv.org/abs/1909.08053.

    [64] SparTA: A Sparse Tensor Algebra Library for Deep Learning. https://github.com/NVIDIA/SparTA.

    [65] SparTA: A Sparse Tensor Algebra Library for Deep Learning. https://arxiv.org/abs/2103.02174.

  • 大型语言模型的“闪存”:如何在内存有限的设备上高效运行?

    大型语言模型(LLM)已经成为自然语言处理领域的宠儿,它们在各种任务中展现出卓越的性能。然而,巨大的计算量和内存需求也给它们带来了挑战,特别是在内存有限的设备上。想象一下,你想要在手机上运行一个像 GPT-3 那样强大的模型,但手机的内存根本不够!

    如何解决这个问题?

    一篇名为《LLM in a flash: Efficient Large Language Model Inference with Limited Memory》的论文为我们提供了答案。该论文提出了一种巧妙的方案,将模型参数存储在闪存中,并在推理过程中选择性地加载到内存中,而不是一次性加载整个模型。

    闪存的优势:容量大,速度慢

    闪存拥有比内存更大的容量,但读取速度相对较慢。论文的作者们深刻地认识到这一点,并设计了两种关键技术来克服闪存的缺点:

    1. 窗口化:只关注当下

    想象一下,你只关注当前的对话内容,而不会去回忆所有过去的对话。窗口化技术正是基于这种“只关注当下”的理念。它只加载最近的标记的参数,并重复使用最近计算出的标记的激活结果,从而减少了数据传输量,提高了推理速度和内存利用率。

    2. 行列绑定:一次读更多

    闪存更适合顺序读取大量数据。行列绑定技术将模型中相关的行和列数据捆绑在一起,一次性读取更大的数据块,从而提高了吞吐量,并与硬件的顺序读取能力相匹配。

    效果显著:速度提升,模型更大

    通过应用这些技术,论文表明可以运行比可用内存大小大两倍的模型,并且与传统加载方法相比,在CPU和GPU上的推理速度显著提高。

    未来展望:硬件感知,高效管理

    这项研究为在内存有限的设备上提高LLM推理的效率做出了贡献,扩展了先进LLM在资源受限环境中的适用性。论文中介绍的技术为优化数据传输、内存管理和硬件感知设计提供了有益的见解。

    总结:

    “LLM in a flash” 论文为我们在内存有限的设备上运行大型语言模型提供了新的思路,为未来 LLM 的应用打开了新的篇章。

    参考文献:

    1. [2312.11514] LLM in a flash: Efficient Large Language Model Inference with Limited Memory
    2. LLM in a flash: Efficient LLM Inference with Limited Memory | by Anuj Dutt | Medium
    3. Paper page – LLM in a flash: Efficient Large Language Model Inference with Limited Memory

    https://ipfs.io/ipfs/QmVhJigJQF1fRq9N8vGxJC4qoLJbxkmAgrmiY6tC1yh44V?filename=LLM%20in%20a%20Flash%EF%BC%9A%E5%86%85%E5%AD%98%E6%9C%89%E9%99%90%E7%9A%84%E9%AB%98%E6%95%88%20LLM%20%E6%8E%A8%E7%90%86.pdf


    大型语言模型的“闪存”:让手机也能运行 GPT-3?

    你是否想过在手机上运行像 GPT-3 那样强大的语言模型?这听起来像是科幻小说,但随着科技的发展,这已经不再是梦想!

    最近,一篇名为《LLM in a flash: Efficient Large Language Model Inference with Limited Memory》的论文为我们揭示了如何在内存有限的设备上高效运行大型语言模型。

    挑战:内存不足,模型太大

    大型语言模型通常拥有数十亿甚至上百亿个参数,这需要巨大的内存空间。而手机等设备的内存容量有限,无法容纳如此庞大的模型。

    解决方案:闪存助力,巧妙加载

    论文中提出的解决方案是将模型参数存储在闪存中,并在推理过程中只加载必要的参数。闪存拥有比内存更大的容量,但读取速度较慢。论文的作者们巧妙地利用了两种技术来克服闪存的缺点:

    1. 窗口化:只关注当下

    想象一下,你只关注当前的对话内容,而不会去回忆所有过去的对话。窗口化技术正是基于这种“只关注当下”的理念。它只加载最近的标记的参数,并重复使用最近计算出的标记的激活结果,从而减少了数据传输量,提高了推理速度和内存利用率。

    2. 行列绑定:一次读更多

    闪存更适合顺序读取大量数据。行列绑定技术将模型中相关的行和列数据捆绑在一起,一次性读取更大的数据块,从而提高了吞吐量,并与硬件的顺序读取能力相匹配。

    效果显著:速度提升,模型更大

    通过应用这些技术,论文表明可以运行比可用内存大小大两倍的模型,并且与传统加载方法相比,在CPU和GPU上的推理速度显著提高。

    未来展望:硬件感知,高效管理

    这项研究为在内存有限的设备上提高LLM推理的效率做出了贡献,扩展了先进LLM在资源受限环境中的适用性。论文中介绍的技术为优化数据传输、内存管理和硬件感知设计提供了有益的见解。

    总结:

    “LLM in a flash” 论文为我们在内存有限的设备上运行大型语言模型提供了新的思路,为未来 LLM 的应用打开了新的篇章。也许不久的将来,我们就能在手机上体验到 GPT-3 的强大功能!

    参考文献:

    1. LLM in a flash: Efficient LLM Inference with Limited Memory | by Anuj Dutt | Medium
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